สนุกคิดกับวิทยาศาสตร์อากาศยาน 2

สนุกคิดกับวิทยาศาสตรอากาศยาน เลม 2

คํานํา หนังสือ สนุกคิดกับวิทยาศาสตรอากาศยาน มีทั้งหมด 3 เลม เลมนี้คอื เลม 2 เปนตอนตอจากเลม 1 ซึ่งไดกลาวถึงความรูพื้นฐาน สําหรับนักเรียนเพิ่งเริ่มตนเรียนรู ทางอากาศพลศาสตรของเครื่องบินไวแลว เมือ่ นักเรียน เรียนมาถึงตอนนี้ จะปรับ กิจกรรมเปนการเลนเครื่องบินพลังยาง ซึ่งมีคูมือวิธีการสรางและวิธเี ลนทีถ่ ูกตอง เขียน ไวแลวโดยผูม ีประสบการณ ดวยผมเห็นวา อาจารยและบุคลากรที่เกี่ยวของ มีทักษะใน การทําเครื่องบินพลังยาง สําหรับกิจกรรมการทําและแขงขันเครื่องบินพลังยาง ไดดีอยู แลว เชื่อวาจะชวยแนะนํา และสอนการทําเครื่องบินพลังยางได อยางไมมีปญหา ดังนั้นสําหรับผมคือ เขียนในสวนของหลักการ หรือทฤษฎีพื้นฐาน ที่เหมาะกับ นักเรียนในระดับนี้ เนื้อหาในเลมนี้ไดนาํ เอามาจาก หนังสือทีผ่ มเคยเขียน ไวกอนหนานี้ คือ หนังสือ อากาศยานและอากาศพลศาสตรพนื้ ฐาน โดยนํามาประยุกต และดัดแปลง เพิ่มเติม ตัดออก บางสวนตามความเหมาะสม เชน มีการ เขียนรูปเพิ่มขึ้น เพิ่ม คําอธิบาย ฯ อยางไรก็ตาม คุณครูผูสอนมีสวนสําคัญ ที่ยังคงตองใหคําอธิบายแกนักเรียน ใน ระดับนี้ คงเปนการยากที่จะเขียนหนังสือ และทําใหผูอานเขาใจไดทั้งหมด โดยไมตอง รับฟงคําอธิบายเลย และคงเปนไปไมได ที่จะเขียนเพื่ออธิบายใหลึกลงไปในทุกแงทกุ มุม ดวยเหตุนี้จึงตองมีการบรรยาย เพื่อเปดโอกาสใหไดมีการพูดคุยซักถาม บางครั้งผม ทราบดีวาถาเราอธิบายอยางละเอียดพรอมยกตัวอยาง ในทุกเรื่อง จะชวยไดดีในระดับ หนึ่ง แตแนนอนหนังสือจะหนามาก และทําใหไมอยากอาน ถาอธิบายยืดยาวเกินไปใน ทุกเรื่อง ดังนัน้ ผมจึงพยายามจะใหคําอธิบาย และตัวอยางเทาที่จําเปน แตละบทจะเนนไปในเรื่องของการบรรยาย เพื่อใหความรูในเรื่องของเครื่องบิน ที่ คาดวานักเรียนจะจําได รู และเขาใจ มีเนื้อหาพอประมาณ ไมตองการใหมีมากเกินพอดี จะทําใหนักเรียนเบื่อ เพราะกิจกรรมตองการเนนใหเด็กนักเรียน ไดปฏิบตั ิและรู เขาใจ หลักการในระดับหนึ่งตามความเหมาะสม จะชวยเสริมความเขาใจทางวิทยาศาสตร จากการไดเขาไปลองเลน ทํากิจกรรมหรือเห็นสถานการณจริง ชวยใหการเรียนรูไมนา

ข

เบื่อ การตั้งคําถามกับนักเรียน ไมจําเปนที่ตองใช เฉพาะในแบบฝกหัดทายบท คุณครูตั้ง คําถามขึ้นไดเอง จากหลักการในบทเรียน หรือจากสถานการณจริง ที่ตอบโดยอาศัย หลักการได แบบฝกหัดทายบท มีไวชว ยเสริมความเขาใจ ซึ่งไดมีเฉลยไวใหแลว อยางไรก็ตามการเขียนหนังสือชุดนี้ ผมมีความตั้งใจที่ตองการใหนักเรียนได พัฒนาวิธีคิดในการมองหาคําตอบจากสิ่งทั้งหลายรอบๆตัวเราอยางมีเหตุผล ซึ่งนําไป ใชเปนแนวทางการศึกษาในอนาคต ที่เปนสวนของความรูทางฟสิกสหรือวิทยาศาสตร ไมเฉพาะกับเครื่องบินเทานั้น แตถาตองมีสวนไปเกี่ยวของกับเรื่องของเครื่องบินไมวาจะ เปนการเรียน หรือการทํางานทางดานนี้ ก็จะยิ่งชวยสงเสริมคือเปนฐานความรู และทํา ใหพูดคุย ในเรื่องของเครื่องบินไดอยางถูกตองเปนสากล สวนของผนวก เลม 2 ไดมีการเพิ่มเนื้อหาในเรื่อง ประวัติเหตุการณ ดานการ บิน และบุคคลที่เกี่ยวของ ในประเทศไทย ดวยความอนุเคราะห มาจาก อาจารย พลอากาศตรี หญิง ประพิมพร เฉลิมอากาศ ผมจึง ขอขอบคุณมา ณ ที่นดี้ วย ถือวาเปน เกร็ดความรู ชวยใหไดรูถึงประวัติศาสตร ในสวนของการพัฒนา ดานการบิน และบุคคล ที่เกี่ยวของ ในประเทศไทย ทานใด ที่ไดอานและพบสิ่งผิดพลาดในหนังสือเลมนี้ หรือมีขอ เสนอแนะ ผมจะ ยินดีมากถากรุณาแจงใหผมไดทราบ ปราโมทย แตงหอม มี.ค. 2557

ค

สารบัญ หนา คํานํา ก สารบัญ ค บทที่ 1 ความเปนมาของการบิน 1 1.1 ประวัติการบินของมนุษย 1 1.2 สถิตศาสตรของอากาศ (Aerostatics) 5 1.3 อากาศยานที่หนักกวาอากาศ (Heavier-than-air Flight) 8 1.4 วิทยาศาสตร ของอากาศพลศาสตร (The Science of Aerodynamics) 16 แบบฝกหัดบทที่ 1 18 บทที่ 2 แรงกระทําตอเครื่องบิน 19 2.1 แรงขับ (Thrust) 20 2.2 แรงยก (Lift) 23 2.3 แรงตาน (Drag) 29 2.4 แรงเนื่องจากน้ําหนักที่กระทําตอเครื่องบิน 33 แบบฝกหัดบทที่ 2 37 บทที่ 3 เสถียรภาพและการควบคุม 39 40 3.1 แกนอางอิงและการควบคุมเครื่องบิน 3.2 การควบคุมการ กม-เงย ดวยคานาด 47 แบบฝกหัดบทที่ 3 55 บทที่ 4 แนวทางการแผนแบบเครื่องบิน 57 4.1 ขอมูลจําเพาะในการแผนแบบ (Design Specifications) 58 4.2 หลักเกณฑในการแผนแบบ (Airworthiness Requirement) 59 4.3 ขั้นตอนในการแผนแบบ (Design Phases) 60 4.4 กระบวนการแผนแบบ (The Design Process) 62

ง

4.5 แนวความคิดเริ่มตน (Initial Conception) 4.6 การแผนแบบลําตัว (Fuselage Design) 4.7 การแผนแบบปก (Wing Design) 4.8 การเลือกเครื่องยนต (Powerplant Selection) 4.9 ลักษณะของฐานลอ (Landing Gear Configuration) 4.10 การแผนแบบชุดสวนหาง (Tail Design) 4.11 การประมาณคาเบื้องตน (First Estimation) 4.12 การใชคอมพิวเตอรชวยในการแผนแบบ (Computer-aided Design) แบบฝกหัดบทที่ 4 บทที่ 5 การทดสอบทางอากาศพลศาสตร 1 5.1 ประวัติความเปนมาของอุโมงคลม (History of Wind Tunnels) 5.2 แบบตางๆของอุโมงคลม (Wind Tunnel Type) แบบฝกหัดบทที่ 5 บทที่ 6 พัฒนาการของเครื่องบิน 6.1 วิวัฒนาการของการแผนแบบ (Design Evolution) 6.2 บินดวยความเร็วที่สูงยิ่งขึ้น (Higher Speed) 6.3 ความเร็วเสียง (The Speed of Sound) 6.4 ตัวเลขมัค (Mach number) 6.5 คลื่นช็อค (Shock Wave) แบบฝกหัดบทที่ 6 ผนวก บรรณานุกรม

63 66 69 75 76 78 86 89 93 95 96 101 108 109 109 115 117 120 122 126 127 131

บทที่ 1 ความเปนมาของการบิน มนุษยเราเปนสิ่งมีชีวิตบนโลก ทีม่ ีสติปญญาสูงกวาสัตวอนื่ เปนเวลานาน มาแลวที่มนุษยไดนําเอาความรู หรือเทคโนโลยี (ซึ่งถือไดวาเปนเครื่องมือ อันทรง ประสิทธิภาพของมนุษยชาติ) เทาทีม่ ีอยูมาใชพัฒนาและ ปรับปรุงสิ่งตางๆ ในธรรมชาติ เพื่อใหเปนประโยชน และใหความสะดวกแกตนเอง จะเห็นไดจากเครื่องใช สิง่ อํานวย ความสะดวกตางๆรอบตัวเรา ลองมองยอนไปในยุคโบราณมนุษยไดอาศัยแรงจากสัตว มาชวยทํางาน เชน มา วัว ฯ ในการลากจูงหรือใหกําลังในการทํางานบางประเภท อาศัย แรงลมในการขับเคลื่อนเรือ อาศัยเครื่องจักรกลอยางงาย เทาทีจ่ ะทําไดในยุคนั้น เพื่อให ไดรับความสะดวกสบาย ยานพาหนะเปนสิ่งหนึ่ง ที่อํานวยความสะดวก และสนอง ความตองการ แตก็ตองมีการพัฒนาตอไปเทาทีจ่ ะทําได เพื่อใหไดยานพาหนะที่ไปได ไกลกวา เร็วกวา และดีกวาอยางเชน ที่เราเห็นกันอยูในปจจุบนั

1.1 ประวัติการบินของมนุษย

รูปที่ 1.1 มนุษยมีความตองการที่จะบินไดมานานแลว

2

บทที่ 1 ความเปนมาของการบิน

มีความเปนไปไดวามนุษยเรามีความตองการที่จะบิน มาตั้งแตยุคกอนที่จะมีการ บันทึกประวัติศาสตร หรือที่เราเรียกกันวายุคกอนประวัติศาสตร ยอนไปในยุคที่มนุษย ยังตองนุงใบไมหรือหนังสัตว ความรูสึก จินตนาการที่อยากจะบินไดอยางนก นาจะมี มาแลวตั้งแตในยุคนั้น เนื่องจากในธรรมชาติมี นกบินไปมาใหเห็น รูปที่ 1.1 ดวยวา นก บินและลอยไดดวย การกระพือปกและรอนไปในอากาศ ดังนั้น ในการจินตนาการที่จะ บินได จึงไดยึดวิธี แบบเดียวกับนก คือ ปกตองมีการกระพือ ใหเกิดแรงที่จะยกตัวให ลอยขึ้น ตํานานตางๆที่เลาตอๆ กันมาก็ยังมีเรื่องความพยายามที่ตองการจะบินของ มนุษย เชน ตํานานของกรีกเรื่องของ เดดารัส (Daedalus) และลูกชายของเขา ไอคารัส (Icarus) เปนนักโทษติดอยูในคุกบนเกาะ ไดพยายามหนีออกจากคุกโดยใชขนนก มา ทําเปนปก เลียนแบบนก และติดเขาดวยกันโดยใชกาวขี้ผึ้งทา ทั้งคูไดบินออกมาพนจาก เกาะไปไดไมไกล ปรากฏวา กาวขี้ผึ้งที่ใชติดขนนกเขาดวยกันนั้น ละลายออกเนื่องจาก ถูกแดดเผา ทําใหตกลงไปในทะเล ซึง่ ถาเปนจริงก็ถือไดวาเปน อุบัติเหตุ(crash)ในการ บิน ครั้งแรกของมนุษยชาติ จากรูปที่ 1.2 เปนภาพเขียนแสดงเหตุการณที่ไอคารัส กําลัง ตกลงไปในทะเล อยางไรก็ตาม ตํานานของกรีกในเรื่องนี้ไดแสดงใหเห็นวามนุษยมีความพยายาม ที่จะบินใหไดโดยการเลียนแบบนก เชนเดียวกันตํานานของชาติอื่นๆหรือแมแตของไทย เองเชนกัน แสดงใหเห็นถึงความตองการ ที่จะบินใหได และดูเหมือนวาจะพยายามบิน โดยยึดแนวทางของนกเปนหลัก เงื่อนไขในการบินโดยวิธีกระพือปกแบบนก สําหรับมนุษยทใี่ ฝฝนทีจ่ ะบินใหได นั้นไดสืบทอดมานับเปนพันป ตั้งแตยุคของ ลีโอนาโด ดาวินซี (Leonardo Da Vinci) จิตรกรนักวิทยาศาสตรผูซึ่งมีความสามารถในหลายๆดาน ไดถายทอดความคิดในการ ประดิษฐอุปกรณการบินสําหรับมนุษย เปนรูปเขียนลงในกระดาษ มีลกั ษณะเปนการ เลียนแบบนก คือ ตองใชกําลังของคนในการกระพือปกใหเกิดแรงยก และเคลื่อนที่ไป ขางหนา ดังในรูปที่ 1.3 เปนการแสดงความสามารถของ ดาวินซี ซึ่งขณะนั้น มนุษยเรา ยังไมมีความรูพื้นฐาน ทางดานการบินหรือทางดานอากาศพลศาสตรเลย แตก็เปนการ แสดง แนวความคิดของมนุษยยุคนัน้ ในเรื่องการบิน

บทที่ 1 ความเปนมาของการบิน

รูปที่ 1.2 ในตํานานกรีก สองพอลูกพยายามหนีออกจากคุกบนเกาะโดยการติดปกบิน

รูปที่ 1.3 แบบจําลองแนวความคิดของ ลีโอนาโด ดาวินซี ในการบินของมนุษย

3

4

บทที่ 1 ความเปนมาของการบิน

ความสําเร็จที่จะเกิดขึ้นได ในการสรางอากาศยาน ชนิดใดก็ตาม ตั้งอยูบน พื้นฐานของความรูทางวิทยาศาสตร หลายแขนง นักประดิษฐหรือนักวิทยาศาสตร ใน สมัยกอนสังเกตเห็นการลอยขึ้นของควันและขีเ้ ถา เมื่อมีการเผาไหมของเชื้อไฟ และเถา เหลานัน้ ก็ลวงตกมายังพื้นดินอีก แสดงใหเห็นวาเปนการลอยขึ้นเนื่องจากอากาศรอน ของเปลวไฟ โจเซฟ และอีเชียน (Joseph and Etienne) สองพีน่ องตระกูล มองโกฟเออร (Montgolfier) ไดนําเอาความเขาใจ จากการสังเกตปรากฏการณนี้ไปออกแบบและ สรางบอลลูนอากาศรอนขึ้นเปนครั้งแรก ที่ประเทศฝรั่งเศสเมื่อเดือน มิถุนายน ป ค.ศ.

1783 ดังแสดงในรูปที่ 1.4

รูปที่ 1.4 การปลอยบอลลูนรอนของพีน่ องตระกูลมองโกฟเออรเมื่อ ป ค.ศ. 1783

บทที่ 1 ความเปนมาของการบิน

5

ในตอนนั้น พี่นองตระกูลมองโกฟเออร ไมทราบสาเหตุทแี่ ทจริง ที่ทําใหบอลลูน ลอยขึ้น เขาเขาใจวาการเผาไม ทําใหเกิดกาซชนิดหนึ่งที่ไมยงั รูจัก เปนตัวพาใหบอลลูน ลอยขึ้น หลักการของอากาศยานที่เบากวาอากาศนั้นไดมีความเขาใจมากขึ้นในเวลา ตอมา อยางไรก็ตามถามีใครนําเอา กาซไฮโดรเจน หรืออากาศรอน บรรจุไวในบอลลูน ชวงกอน ป ค.ศ. 1783 แนนอนยอมสรางความอัศจรรยใจ ใหกับผูที่ไดพบเห็น แตใน ปจจุบนั นี้ เปนเรื่องธรรมดา กับการไดเห็นบอลลูน แบบตางๆลอยไปมา ดังในรูปที่ 1.5 เปนบอลลูนอากาศรอนใชในการแขงขัน หรือประกวดในชวงเทศกาล ประเทศไทยเองก็ มีใหเห็นมากมายในชวงเทศกาล คือประเพณีปลอยโคมลอยทางภาคเหนือ เพียงแตมี ขนาดเล็กและทําแบบงายๆ เพียงเพือ่ ใชใหลอยขึ้นไปมีแสงสวางดูสวยงามเทานั้น ทําไม ถึงลอยไดจะกลาวในหัวขอตอไป

1.2 สถิตศาสตรของอากาศ (Aerostatics) บอลลูนลอยไดในอากาศ สามารถอธิบายไดโดยใชหลักการของแรงลอยตัว นัก วิทยาศาสตรชาวกรีก ชื่อ อาคีมีดิส(Archmedes) เปนคนแรกที่ไดอธิบายเรื่องของแรง ลอยตัว เมื่อมีวัตถุจมอยูในของเหลวหรืออากาศ ตองมีแรงลอยตัว อันเนื่องมาจากความ แตกตางของความดัน ทีก่ ระทําตอผิวดานบนกับ ผิวดานลางของวัตถุที่จมอยูในของไหล นั้น ตามธรรมชาติ ความดันในของไหลใดๆจะมากขึ้นตามความลึก อากาศที่ระดับสูงมี ความดันนอยกวาอากาศที่ใกลกับพื้นดิน โดยเฉพาะในน้ําจากประสบการณจริง จะ พบวาถายิ่งดําน้ําลงไปลึก แรงกดของน้ําที่กระทําตอตัวเราจะยิ่งมากขึ้น นั่นคือยิ่งลึก มากเทาไรความดันก็ยิ่งมากขึ้นเทานัน้ ไมวาการเปลี่ยนระดับความลึกหรือเรียกวาความ สูง จะเปนระยะสั้นๆ ก็ยงั คงมีความแตกตางของความดันอยูดี เพียงแตวาความดันมาก นอยขึ้นอยูกับระดับ ของความลึก เพื่อใหเขาใจไดดีขึ้นวา ระดับความลึกยิ่งมากความ ดันจะยิ่งเพิ่มขึ้น เปรียบไดกับการที่เราวางกลองซอนกันหลายๆใบใหสูงขึ้นไป ใบลางสุด จะมีแรงกดทับมากกวาใบที่อยูดานบน ถาซอนกันสูงมากเกินไปจะทําใหกลองใบลางนัน้ บี้แบน หรือแตกไดดวยแรงกดเชนเดียวกับของเหลวซึ่งทับซอนกันลงไปจนถึงสวน ลางสุด

6

บทที่ 1 ความเปนมาของการบิน

รูปที่ 1.5 บอลลูนอากาศรอนและ แสดงสวนประกอบในรูปดานขวามือ

ทําความเขาใจกับคําวา ของไหล และคําวา ความดัน ของไหล (Fluid) นั้นไดแก กาซ (Gas) และของเหลว (Liquid) ตัวอยางของสิ่งที่ เปนกาซ เชน กาซออกซิเจน กาซคารบอนไดออกไซด อากาศถือวาเปนกาซอยางหนึ่ง ประกอบดวย ไนโตรเจน ออกซิเจน คารบอนไดออกไซดเปนสวนใหญ ฯลฯ ตัวอยางของ สิ่งที่เปนของเหลว เชน น้าํ น้ําเชื่อม น้าํ มัน ทินเนอร เลือดที่ไหลอยูในตัวเรา ฯลฯ บอลลูนถือไดวาเปนยานที่ลอยได โดยอาศัยหลักสถิตศาสตรของอากาศ นั่นคือ สามารถลอยไดโดยไมตองอาศัยการเคลื่อนที่ของอากาศหรือกระแสอากาศ การลอยขึน้ ของบอลลูนใชวิธี ทิ้งน้ําหนักบางสวนที่บรรทุกมาดวยลงไป สวนใหญใชถุงทราย เมื่อ ตองการลดระดับลงก็ปลอยกาซในตัวบอลลูนออกไปเสีย สําหรับบอลลูนอากาศรอนใช วิธีปรับความรอนของเปลวไฟใหมากนอย โดยปกติทั่วไปการเคลื่อนที่ในแนวระดับ ขึ้นอยูกับทิศทางลมแลวแตจะพัดไปทางไหนดังในรูปที่ 1.5 และ 1.6 นักประดิษฐในสมัยกอนพยายามติดตั้งชุดใบพัดขับเคลื่อนใหกับยานบอลลูน หรืออากาศยานที่เบากวาอากาศ มีชื่อเรียกวา “เรือเหาะ (Airship)” รูปที่ 1.7 ซึ่ง เคลื่อนที่ไดชา มากเนื่องจากมีแรงตานการเคลื่อนทีส่ ูงเพราะลําตัวใหญ แตก็เปนที่นิยม ใชในยุคแรกๆ ชวงสงครามโลกครั้งที่ 1 ในปจจุบันมักจะใชเรือเหาะในบางกรณี เนื่อง

บทที่ 1 ความเปนมาของการบิน

จากการลอยตัวไมตองใชพลังงานจึงไมสิ้นเปลืองน้ํามันเชื้อเพลิง เฉพาะตองการเคลื่อนที่

7

ใชน้ํามันเชื้อเพลิง

รูปที่ 1.6 การลอยตัวขึ้นของบอลลูนและไปหยุดที่ความสูงระดับหนึ่งเนื่องจากความหนาแนนของ อากาศ

รูปที่ 1.7 เรือเหาะสรางในประเทศเยอรมัน มีโครงสรางแข็งขับเคลื่อนดวยใบพัด

8

บทที่ 1 ความเปนมาของการบิน

1.3 อากาศยานที่หนักกวาอากาศ (Heavier-than-air Flight) ความพยายามของมนุษยที่จะบินไดอยางนก ในลักษณะทีส่ ังเกตจากธรรมชาติ ดวยวิธีการกระพือปก เชนเดียวกับที่นกหรือสัตวปกทั้งหลายบิน แตวาในบางครั้งจะ พบวาการบิน หรือลอยตัวไดของนกนัน้ จะเปนการรอนไปในอากาศ ซึ่งลอยอยูได โดยไม ตองกระพือปก ลักษณะของปกกางออกนิ่งเพื่อพยุงตัวใหลอยอยูไดในอากาศเปน เวลานาน ยิง่ ถาอยูในบริเวณที่มีการไหลขึ้นของอากาศในแนวดิ่ง จะเปนการชวยใหนกที่ กําลังรอนโดยไมไดกระพือปกอยูนั้น ลอยตัวสูงขึน้ ไปไดอีก นานมาแลว มีคนอยูคนหนึ่งทราบดี (เพราะเปนคนชอบสังเกต) ถึงการรอนของ นกในลักษณะที่ปกอยูนิ่ง และทําใหลอยอยูในอากาศ ไดเปนเวลานานๆ ซึ่งเปนวิธกี ารที่ นาจะเปนไปไดสําหรับมนุษยในการที่จะบิน เซอร จอรจ แคลีย ชาวอังกฤษในสมัย ศตวรรษที่ 18 ไดพยายามพัฒนาเครื่องรอนปกนิ่งดวยความกระตือรือรนในแนวทาง เดียวกับที่ดาวินซี ไดคดิ ไวตางกันตรงที่วาของ ดาวินซี นัน้ ตองกระพือปก แนวความคิดและวิธีการของ แคลีย เปนวิธีการทางวิทยาศาสตร เขาไดทําการ ทดลองสมมุติฐานที่ไดตั้งขึ้นโดยอาศัยหลักการทางวิทยาศาสตร เพื่อเปนการพิสูจนวา เปนไปตามทีไ่ ดคาดการณไวหรือไม เขาอยูในชวงของการทําความเขาใจในเรื่อง เสถียรภาพ และการควบคุมอากาศยาน การแผนแบบ ชุดหางของเครื่องรอน เพื่อเปน การบังคับควบคุมเครื่องรอน นั้นคลายคลึงกับชุดหางของเครื่องบินในยุคปจจุบนั ใน ป ค.ศ. 1853 แคลีย ไดแผนแบบและสรางเครื่องรอนที่มีคนโดยสารไปดวย หรือจะเรียกวานักบินในขณะนั้นก็วาได เพื่อรอนไปในอากาศ ถือไดวาเปนการบินเครื่อง รอนของมนุษยเปนครั้งแรกที่มีการบันทึกไวในประวัติศาสตรการบิน ของอากาศยานที่ หนักกวาอากาศ ปรากฏวา ผูโดยสาร (ที่ทําหนาที่เหมือนกับเปนนักบินในขณะนั้น) ได ขอถอนตัวอยางถาวร หลังจากที่ไดรบั ประสบการณ ทดลองบินเที่ยวแรกในชีวิต แมวาผลงานของ แคลีย จะไดรับการตีพิมพ แตไมไดรับความสนใจจากคนทั่วไป ในขณะนั้น นักวิทยาศาสตรและนักประดิษฐในขณะนั้นไดคิดที่จะสรางเครื่องรอนขึ้น แตไมประสบความสําเร็จ ดวยวาตางคนตางทํา ความรูพื้นฐานทางดานนี้ ยังมีไมมาก พอ อีกทั้งยังไมมีการสนับสนุน แตดวยความพยายามของนักประดิษฐที่มีความมุงมั่น

บทที่ 1 ความเปนมาของการบิน

9

ชาวเยอรมัน ชื่อ ออโต ลิเลียนทาล(Otto Lilienthal) เปนวิศวกร ที่มีแนวความคิดในการ สรางเครื่องรอนโดยใช ความรู เหตุผล และการวิเคราะหทางวิทยาศาสตร ลิเลียนทาล ประสบความสําเร็จ ในการรอนไดหลายเที่ยว ดวยเครื่องรอนที่เขาประดิษฐขึ้นเอง แต เปนทีน่ าเสียใจที่เขาไดประสบอุบัติเหตุถึงชีวิต จากการใชเครื่องรอน กอน ที่เขาจะไปสู เปาหมายอันยิ่งใหญ ในรูปที่ 1.8 เปนเที่ยวบินหนึ่งของการรอนตอหนาสาธารณชน

รูปที่ 1.8 ความสําเร็จในการใชเครื่องรอน ของ ลิเลียนทาล ตอสาธารณชนในประเทศเยอรมัน

ในประเทศสหรัฐอเมริกา ออคเตป ชานุท(Octave Chanute) วิศวกรในรัฐชิคาโก ไดทดลองใชเครื่องรอนที่สรางเองเชนเดียวกับ ลิเลียนทาล ในชวงเวลาเดียวกัน ประมาณ ป ค.ศ. 1900 เขาทํางานเหมือนกับเปนนักวิทยาศาสตร คือทําการทดลอง รวบรวมขอมูล และผลงานจากการทดลอง ทั้งหมดที่ได ซึ่งเปนประโยชนตอการพัฒนา อากาศยานในรูปที่ 1.9 เปนการทดลองบินดวยเครื่องรอนที่เขาสรางขึ้นเอง

10

บทที่ 1 ความเปนมาของการบิน

ความพยายาม ความอุตสาหะ ทั้งหลายที่ไดเกิดขึน้ ก็เนื่องมาจากความตองการ ที่จะสรางยานพาหนะที่บนิ ได คือ อากาศยานที่คนสามารถโดยสารไปไดโดยมีกําลัง ขับเคลื่อน เปนที่นาเสียดายที่ความพยายามของมนุษยในยุค ป ค.ศ. 1800 ยังไมมี เครื่องยนตที่ใหกําลังมากพอ และมีน้ําหนักเบา จะมีกแ็ ตเครื่องจักรไอน้ําซึ่งมีน้ําหนัก มากเกินไป อีกทั้งความยุงยากในการใชงาน ไมเหมาะที่จะนํามาใชกับอากาศยาน แต ในป ค.ศ. 1894 เซอร ไฮแลม แมกซิม (Hiram Maxim) ชาวอังกฤษไดติดตั้ง เครื่องจักรไอน้ําโดยใชใบพัดในการขับเคลื่อนใหกบั เครื่องบิน ถือไดวาเปนเครื่องบิน เครื่องแรกที่ใชกําลังจากเครื่องจักรกลที่มนุษยสรางขึ้นเทาที่จะทําไดในสมัยนั้น ดวยวา เครื่องจักรไอน้ํามีน้ําหนักมาก การควบคุมทําไดลําบาก ทั้งยังมีองคประกอบไม เหมาะสมตอการนํามาใชกับอากาศยาน จึงเปนเพียงปรากฏการณ ที่แสดงใหเห็นถึง ความพยายามของมนุษยในยุคนั้นทีต่ องการบินใหได

รูปที่ 1.9 การทดลองบินดวยเครื่องรอนของ ชานุท ในสหรัฐอเมริกา

บทที่ 1 ความเปนมาของการบิน

11

ความพยายามในแตละรูปแบบทีผ่ านมา พุงเปาไปที่เรื่องของแรงยก และกําลัง ในการขับ เคลื่อน แตจะมีใครคิดหรือไมวา การควบคุมเครื่องบินนั้นไมงายเหมือนอยาง ควบคุมเรือที่ลอยอยูในน้ํา ซึ่งคอนขางมีความแตกตางกันอยางมาก การควบคุมเรือเปน เพียงทําให หัวเรือหันไปทางซายหรือขวา(Yawing) เทานั้นเอง อยางไรเสียก็ลอยในแนว ระดับบนผิวน้ํา แตสําหรับเครื่องบินนัน้ มีสิ่งที่ตองควบคุมที่เพิ่มขึ้นมาอีก ไดแก การกม เงย (Pitching) การหมุนดานขาง (Rolling) เรียกวากลิ้งไปทางดานขางก็ได การเพิ่มและ ลดระดับ ซึ่งการควบคุมในสวนที่เพิ่มขึ้นมานี้ จะตองเชื่อถือไดดวยไมเชนนัน้ ก็ไม สามารถบินได

รูปที่ 1.10 สองพีน่ องตระกูลไรท

12

บทที่ 1 ความเปนมาของการบิน

ยังมีนักประดิษฐหนุมชาวอเมริกันอยูสองคน ที่รูและเขาใจถึงปญหาในการ ควบคุมนี้ดี เขาคือ วิลเบอร และ เออวิลล ไรท (Wilbur and Orville Wright) รูปที่ 1.10 เราคงทราบกันดีมาแลววา สองพี่นองตระกูลไรท คือ ผูทสี่ ามารถทําการบินไดสําเร็จเปน ครั้งแรกในโลก จากเครื่องบินที่ไดออกแบบและสรางเองรวมทั้งเครื่องยนตดวย แตบาง คนอาจจะมองวาสองพี่นอ งตระกูลไรท เปนเพียงนักคิด ที่มีความพยายามและบังเอิญ ทําใหเครื่องบินที่สรางขึน้ มา บินไดดวยอาศัยผลงานและการทดลองของผูบกุ เบิก ทางดานการบินที่ไดทําไวกอน แนนอนการทํางานใหสําเร็จ การคนพบสิ่งใหม ยอมตอง อาศัยผลงานของคนในอดีตทั้งสิ้น แตการทํางานของสองพีน่ องตระกูลไรท นั้นถูกตอง และมีหลักการ เปนไปตามวิถีแหงการพัฒนาทางวิทยาศาสตร และการประดิษฐคิดคน วากันตามความเปนจริงแลว สองพี่นองตระกูลไรท นั้นเปนคนหนุมที่มี ความสามารถสูง มองการณไกล การทํางานของเขาเปนไปอยางมีขั้นตอนที่เปน วิทยาศาสตร เขาเรียนรูจากสิ่งที่ผูอื่นไดทําไว ทั้งทีส่ ําเร็จและลมเหลว เชน ลิเลียนทาล และ ชานุท พยายามแกปญหา ความสําเร็จอันโดงดังในการบินครั้งแรกของมนุษยชาติ ที่ คิทตีฮ้ อค (Kitty Hawk) เปนผลมาจากความพยายามอยางตอเนื่อง ของเขามาตลอด 4 ป จากการทดลอง และการแกปญหาอยางมีหลักการ สองพี่นองตระกูลไรท มุง แกปญ  หา ทีละอยาง ทีละอยาง ในเชิงเทคนิค(คือใช หลักวิชาการ) สอนตัวเองในการที่จะควบคุมเครื่องบิน พยายามปรับปรุงการออกแบบ ใหมีประสิทธิภาพดีขึ้น ซึ่งการทดลองกอนหนานั้นทํากับเครื่องรอนแตสิ่งที่ตองการคือ เครื่องบินที่ใชกําลังจากเครื่องยนต เขาพยายามทําทุกอยาง เชน การวัดขนาดของแรงที่ เกิดขึ้นจากกระแสลมจริง ดวยสิ่งทีส่ องพี่นองตระกูลไรท กําลังพยายามทําใหสําเร็จนัน้ เปนสิง่ ที่ยังไมเคยมีใครทําไดมากอน และขณะนัน้ ความรูความเขาใจในเรื่องของอากาศ ยานยังมีไมมากพอ ไมมีใครหรือผูเชี่ยวชาญที่ไหนจะใหคําตอบกับปญหาที่เกิดขึ้นได จึง ตองหาคําตอบดวยตัวเองเทาที่ความรูและเครื่องมือ ที่มีอยูในขณะนั้นจะอํานวย หลาย ครั้งที่เขาตองเดินทางกลับไปยังบานที่เดยตัน เพื่อใชอุโมงคลมที่สรางขึน้ มาเอง ในการ หาคําตอบที่ถูกตองกับสิง่ ที่ยังไมรู หรือไมเขาใจ เชน แรงยก แรงตาน ฯ นําไปปรับปรุงให บินไดอยางที่ตองการ

บทที่ 1 ความเปนมาของการบิน

13

รูปที่ 1.11 เครื่องรอนหมายเลข 1 ขนาดเล็กไมมีคนโดยสาร ไดถูกสรางขึ้นโดยพี่นองไรท เพื่อหา ขอมูลในการนําไปสรางเปนเครื่องบินตอไป

รูปที่ 1.12 การทดลองใชเครื่องรอนหมายเลข 3 ที่สรางขึ้นเอง เมื่อ ป ค.ศ. 1902 ของพีน่ องไรท

14

บทที่ 1 ความเปนมาของการบิน

รูปที่ 1.13 ความพยายามและการทดลองอยางมุงมัน่ ของสองพีนองตระกูลไรท อยางเปนขั้นตอน ทางวิทยาศาสตร เปนสวนสําคัญที่ชวยทําใหประสบความสําเร็จ

บทที่ 1 ความเปนมาของการบิน

15

กอนที่สองพีน่ องตระกูลไรท จะทําการทดลองบิน กับเครื่องบินที่ใชเครือ่ งยนต เปนตัวขับ เคลื่อนจนกระทั่งประสบความสําเร็จนั้น เขาไดทาํ การทดลองกับเครื่องรอน ที่ มีลักษณะเหมือนวาวขนาดใหญ (พี่นองไรทตั้งชือ่ วา เครื่องรอนหมายเลข 1 ในรูปที่ 1.11) มากอนตามมาดวยเครื่องรอนหมายเลข 2 และเครื่องรอนหมายเลข 3 ทีเ่ ขา สามารถโดยสารขึ้นไปได ดังในรูปที่ 1.12 และรูปที่ 1.13 เปนการพัฒนาอยางมีขั้นตอน จนมาเปนเครื่องรอนดังที่เห็นในรูป (ใหสังเกตแพนบังคับขางหนา เปนแพนควบคุมการ กมเงยของเครื่องรอน ซึ่งตางจากของลิเลียนทาล ในรูปที่ 1.8 ซึ่งอยูที่สวนหางของเครื่อง รอน) จนกระทั่งมีความมั่นใจมากพอ พรอมที่จะพัฒนาตอไปสูเปาหมายที่ตองการคือ การบินดวยเครื่องบินที่ขบั เคลื่อนดวยเครื่องยนต

รูปที่ 1.14 ความสําเร็จครั้งแรกในการบินของสองพีน่ องตระกูลไรท เมื่อ ป ค.ศ.1903 ณ คิตตี้ฮอค นอทแคโรไรนา

หลังจากที่ไดประสบความสําเร็จ ในการทําเครื่องรอนที่สามารถโดยสารขึ้นไปได ทําใหเกิดความเขาใจ และมีประสบการณ ในเรื่องของเครื่องบินพอสมควร สองพี่นอ ง

16

บทที่ 1 ความเปนมาของการบิน

ตระกูลไรท จึงไดพยายามในขั้นตอไปคือ ทําเครื่องบินที่ใชกาํ ลังจากเครือ่ งยนต เครื่องยนตที่ใชตองใหกําลังสูงแตน้ําหนักเบา รวมทั้งใบพัดที่ใชในการขับเคลื่อนดวย ใน เดือน ธันวาคม วันที่ 17 ป ค.ศ.1903 ความมานะอุตสาหะเปนเวลานาน มาอยาง ตอเนื่อง ไดทําใหเขาทั้งสองไดพบกับความสําเร็จ เออวิลล เปนผูควบคุมเครื่องบินให ลอยอยูเหนือพื้นทรายของตําบล คิตตี้ฮอค ในประเทศสหรัฐอเมริกา ซึ่งเปนครั้งแรกของ มนุษยชาติทที่ ําการบินไดสําเร็จดวยยานที่หนักกวาอากาศ รูปที่ 1.14

1.4 วิทยาศาสตร ของอากาศพลศาสตร (The Science of Aerodynamics) ทั้งเครื่องรอนและเครื่องบิน เปนอากาศยานที่หนักกวาอากาศ ไมสามารถลอย อยูไดในอากาศอยางเชน บอลลูน จึงตองอาศัยแรงทางอากาศพลศาสตร คือการ เคลื่อนที่ของอากาศผานปกเพื่อใหเกิดแรงยกขึ้น การศึกษาพฤติกรรมของอากาศที่กําลัง เคลื่อนที่ และสงผลใหเกิดแรงกระทําตอวัตถุที่อากาศนั้นไหลผาน ก็คอื การศึกษาวิชา อากาศพลศาสตร ซึ่งเปนสาขาหนึง่ ของวิทยาศาสตรแตถาเปนหัวขอเรื่อง สถิตศาสตร ของอากาศ(Aerostatics) ก็คือศึกษาพฤติกรรมของอากาศนิ่ง และมีแรงกระทําตอวัตถุ ที่อยูในอากาศนั้น ดังที่ไดกลาวไปแลว ในเรื่องการลอยตัวของบอลลูน วิชาอากาศพลศาสตร เปนวิชาหนึ่งที่มีความสลับซับซอน มากกวาวิชาสถิต ศาสตรของอากาศ ผลจากการที่อากาศไหลผานปกของเครือ่ งบิน หรือแพนอากาศ (Airfoil) ยังไมเปนที่เขาใจกันในขณะนั้น ตอมาอีกหลายปหลังจากความสําเร็จครั้งแรก ในการบิน คือประมาณป ค.ศ.1910 นักวิทยาศาสตรไดพยายามทําความเขาใจและหา กฎเกณฑในธรรมชาติมาอธิบาย สิ่งที่เกิดขึ้นใหได ไดแก เฟดเดอริก แลงคาสเตอร (Frederick Lanchetser) ชาวอังกฤษ ลุดวิก พลันท (Ludwig Prandtl) ชาวเยอรมัน และ จาคอฟสกี (Joukowsky) ชาวรัสเซีย เขาเหลานี้ ไดมีสวนสําคัญในการวางรากฐาน ทางทฤษฎีของศาสตร ทางอากาศพลศาสตร มาจนถึงปจจุบนั นี้ นักวิทยาศาสตรเหลานี้ มีความตั้งใจในการคนควาหลักการตางๆที่เปนประโยชน และใชอธิบายถึงธรรมชาติ

บทที่ 1 ความเปนมาของการบิน

17

และความเปนไปของอากาศพลศาสตร จึงทําใหมนุษยเราสามารถพัฒนาเทคโนโลยี ทางดานอากาศยาน มาไดอยางที่เราเห็นในทุกวันนี้ เครื่องบินไดถูกพัฒนามาอยางตอเนื่องดวยการนําเอาประสบการณจริง มาใช เปนขอมูลในการปรับปรุงในสิ่งที่จะทําตอไปใหดีขึ้นเทาทีจ่ ะทําได แมแตการทํางานของ คณะกรรมการที่ปรึกษาทางอากาศพลศาสตรแหงชาติ(National Advisory Committee for Aeronautic มีชื่อยอวา NACA) ตนกําเนิดขององคการนาซา (NASA) ไดพัฒนา อากาศยาน ดวยวิธีลองผิดลองถูก (Trial-and-Error) มาแลวเชนกัน ซึ่งเปนเรื่องปกติ ของการแสวงหาคําตอบ ที่ตองพยายามทําทุกวิถีทางใหไดมา ในชวงกอน ป ค.ศ.1920 หลังจากนั้นไดมีการนําเอา ทฤษฎี การทดลองกับแบบจําลอง การทดสอบกับของจริง มาใชรวมกันเพื่อที่จะไดปรับปรุงประสิทธิภาพในเรือ่ งของการบิน เนื่องจากวาวิชาอากาศพลศาสตร เปนวิชาวิทยาศาสตรแขนงหนึ่งที่มีความ ซับซอน ตําราทั่วไปที่กลาวถึงวิชานีจ้ ะลึกลงไปในเรื่องของทฤษฎี ซึง่ ประกอบไปดวย สมการทางคณิตศาสตรท่มี ีความยุงยาก เขามาเกี่ยวของมาก แตอยางไรก็ตาม ใน หนังสือเลมนี้ จะพยายามอธิบาย เรื่องของอากาศพลศาสตร เพื่อใหผูอานไดรูสึกคุนเคย และเขาใจในเรื่องของเครื่องบิน ดวยหลักการและความรูในขั้นพื้นฐานที่เขาใจไดงาย เทาที่จะทําได

18

บทที่ 1 ความเปนมาของการบิน

แบบฝกหัดบทที่ 1 1.1

เพราะเหตุไร แคลีย จึงไดมีแนวความคิดในการบินไดของมนุษย ตางจาก แนวความคิดของ ดาวินซี จงอธิบาย

1.2

อะไรคือ กุญแจสําคัญ ทีน่ ําสองพี่นอง ตระกูลไรท ไปสูความสําเร็จ จงอธิบาย

1.3

นักเรียน จงคนหาขอมูลจาก อินเทอรเน็ต ทีเ่ ปนรูปของเครื่องบินที่เปนผลงาน ของสองพีนอ งตระกูลไรท นอกจากทีแ่ สดงในหนังสือ

1.4

ในยุคของสองพีนองตระกูลไรท ยังมีนกั ประดิษฐคนอื่นๆอีกทีไดสรางเครื่องบิน ขึ้นมา ซึ่งไมไดกลาวไวในหนังสือนี้ นักเรียนจงคนหาจากทาง อินเทอรเน็ต โดย รวมกันทํางานเปนกลุม นําเสนอตออาจารย

บทที่ 2 แรงกระทําตอเครื่องบิน อยางที่เรารูกันมาแลววา ในขณะที่เครื่องบิน กําลังบินอยูในอากาศ มีแรงกระทํา ตอเครื่องบินอยู 4 แรง หลักๆ ดังนี้ 1. แรงขับ (Thrust) 2. แรงยก (Lift) 3. แรงตาน (Drag) 4. น้ําหนัก (Weight)

รูปที่ 2.1 เครื่องบินกําลังบินเดินทาง เปนเสนตรงในแนวระดับ ดวยความเร็วคงที่

ในกรณีที่ เครื่องบิน อยูในสภาวะดังนี้ (ดูรูปที่ 2.1) คือ 1. บินเปนเสนตรง (Straight line) 2. อยูในแนวระดับ (Horizontal) 3. ดวยความเร็วคงที่ (Constant velocity) แสดงวา (ดูรูปที่ 2.2) ก. แรงขับ เทากับ แรงตาน ข. แรงยก เทากับ น้ําหนัก

20

บทที่ 2 แรงกระทําตอเครื่องบิน

รูปที่ 2.2 แรงยก เทากับ น้าํ หนักของเครือ่ งบิน และ แรงขับเทากับแรงตาน

สําหรับเครื่องรอนพุงดวยมือนั้น เคลื่อนที่ไปไดดวยแรงเนื่องจากมือที่จบั เครื่อง รอนแลวพุงออกไป เปนระยะทางทีแ่ รงกระทําสัน้ ๆ เครื่องรอนจึงเคลื่อนที่ดวยความเร็ว คาหนึ่งอยูตอไปเรียกวาแรงเฉื่อย คอยๆชาลงดวยการกระทําของแรงตานเนื่องจาก อากาศ แตถาเราตองการใหเครื่องบิน บินตอไปไดไกลมากขึ้น จําเปนตองมีแรงขับที่ พยายามกระทําใหเครื่องบิน บินไปขางหนา

2.1 แรงขับ (Thrust)

รูปที่ 2.3 ปลาใชหางโบกให น้ําเคลื่อนที่ไปขางหลัง เกิดแรงกระทําใหตวั ปลา เคลื่อนไปขางหนา

ในธรรมชาติ มีปรากฏการณบางอยางที่เราเคยเห็น เชน นกที่บินไปในอากาศ ดวยการกระพือปก ปลาวายเคลื่อนทีไ่ ปในน้ําไดอยางรวดเร็ว แสดงวามีแรงกระทําใหนก

บทที่ 2 แรงกระทําตอเครื่องบิน

21

หรือปลาเคลือ่ นไปขางหนาได จะเรียกวามี แรงขับ อยางที่ใชกับเครื่องบิน มาพิจารณา ดูปลาที่กําลังวายน้ํา หางจะโบกน้าํ ใหเคลื่อนทีไ่ ปขางหลังจึงเกิดแรงกระทําใหตัวปลา เคลื่อนที่ไปขางหนา รูปที่ 2.3

รูปที่ 2.4 ผึ้ง และนกกระพือปก ใหอากาศไหลลง ทําใหเกิดแรงพยุงใหลอยอยูไดในอากาศ

นกหรือ แมลงมีปก ที่บินได ก็เชนเดียวกันคือ เมื่อกระพือปกใหแรงมากพอจะทํา ใหอากาศไหลลงดวยความเร็วที่มากพอ สงผลใหเกิดแรงกระทําตอนกหรือแมลงนั้นลอย อยูได ดังในรูปที่ 2.4 เหตุการณในลักษณะนี้เปนหลักการของ โมเมนตัม (Momentum) สําหรับเครื่องบินก็เชนกัน เมื่อตองการใหมีแรงกระทําตอเครื่องบินในทิศทางไปขางหนา ก็ตองทําใหอากาศ พุงหรือเคลื่อนที่ไปขางหลัง ยิ่งเร็วและปริมาณของอากาศที่เคลื่อนที่ ไปขางหลังนัน้ มากพอ ก็จะเกิดแรงที่มากพอทําใหเครื่องบินเคลื่อนที่ไปขางหนา ดวย ความเร็วตามที่ตองการ ดูรูปที่ 2.5 เครื่องบินใบพัด เมือ่ ใบพัดหมุนผลักใหอากาศ เคลื่อนที่ไปขางหลัง เครื่องบินเจ็ต พนอากาศออกไปทางดานหลัง

22

บทที่ 2 แรงกระทําตอเครื่องบิน

นั่นคือ การทีเ่ ครื่องบินจะบินไปขางหนาไดดวยความเร็ว ตองอาศัยเครื่องยนต ที่ กลาวมาแลวชวย เมื่อเครื่องบินมีความเร็วมากพอ จึงไดสงผลใหมีอากาศไหลผานปก เครื่องบิน สงผลใหเกิดแรงยกที่มากพอ พยุงใหเครื่องบินลอยอยูได ถาความเร็วไมมาก พอเครื่องบินก็ลอยอยูไมได ในกรณีที่เครื่องบินมีความเร็วไมมากพอ ที่จะทําใหเกิดแรงยก พยุงใหเครื่องบิน ลอยอยูไดในอากาศ เปนเหตุใหเครื่องบินตกลง (เหตุการณเชนนี้ถือวาเปนอันตรายมาก สําหรับเครื่องบินจริง) เราเรียกเหตุการณนี้วา “การสะตอล” (Stall) ยังมีสาเหตุอื่นอีกที่ ทําใหแรงยกลดลง ทําใหไมสามารถพยุงเครื่องบินอยูได จะเห็นวาถาไมมีแรงขับ ก็ไมมีความเร็ว และเมื่อไมมีความเร็ว ก็ไมมีแรงยก แรง ขับจึงเปนสวนสําคัญของเครื่องบิน ดวยเครื่องยนตชนิดหมุนใบพัด หรือเครื่องยนตเจ็ต ที่ดูดอากาศเขาดานหนาและพนออกทางดานหลัง จะตองมีกาํ ลังที่มากพอดวย

เครื่องบินใบพัด

เครื่องบินเจ็ต รูปที่ 2.5 เครื่องบินใชใบพัดหรือเครื่องเจ็ต ทําใหอากาศพุงไปขางหลัง จึงเกิดแรงกระทําให เครื่องบิน บินไปขางหนาไดดวยความเร็ว

บทที่ 2 แรงกระทําตอเครื่องบิน

23

2.2 แรงยก (Lift) แรงยกคือ แรงดันอากาศที่กระทําตอปกเครื่องบิน ซึ่งจะตองมากพอ คือตองไม นอยไปกวาน้ําหนักของเครื่องบิน จึงจะทําใหเครือ่ งบินลอยไดในอากาศ ปกคือสวนของ เครื่องบินในการใหแรงยก และแรงยกจะมากตามความเร็วของอากาศที่ไหลผานปก นั่น ก็คือความเร็วของเครื่องบินที่บินไปในอากาศจะตองมากพอดวย เมื่อมองตอไปอีกวา ทําไมเมื่อมีอากาศไหลผานปกแลวจึงมีแรงยกได อากาศรอบตัวเรานี้มีแรงดัน หรือแรง กดอากาศ อยางที่เราเคยรูมาแลว

รูปที่ 2.6 การทดลองนําลูกปงปอง มาปดปากขวดบรรจุน้ําแลวคว่ําลง แสดงใหเห็นวา บรรยากาศรอบๆตัวเรามีแรงดันอากาศ กระทําอยู การทดลองที่ชวยใหเห็น ปรากฏการณของแรงกระทําเนื่องมาจากแรงดันอากาศ รอบๆตัวเรา ใชลูกปงปอง และขวดน้ําที่มีปากกวาง (แตตองเล็กวาลูกปงปอง) ใสน้ําเขา

24

บทที่ 2 แรงกระทําตอเครื่องบิน

ไปใหเต็ม และวางลูกปงปองปดปากขวดใชนิ้วกดไวกอน แลวคว่ําขวดลงโดยที่มือตอง ชวยประคองกดลูกปงปองใหปดอยูตลอด ดังในรูปที่ 2.6 เมือ่ ปลอยมือออก เราจะเห็น วามีแรงดันลูกปงปองไมใหหลุดออกมา ทั้งๆที่มีนา้ํ จํานวนหนึง่ อยูในขวด และมีน้ําหนัก ของน้ําพยายามกดลงบนลูกปงปองใหตกลงมา แรงที่ยกหรือดันลูกปงปองใหปดขวดอยู ไดนั้นคือ แรงดันอากาศรอบๆตัวเรา

รูปที่ 2.7 แรงเนื่องจากอากาศที่ไหลผาน นึกภาพปกเครื่องบินที่มีอากาศกําลังไหลผาน ตามรูปที่ 2.7 และ 2.8 ความเร็ว ของกระแสอากาศที่กําลังไหลเขามา กอนถึงแพนอากาศหรือปกเครื่องบิน เราเรียกวา “กระแสอากาศอิสระ” (Freestream Velocity นิยมใชสัญลักษณ V  เปนตัวอักษร กรีก อานวา “อินฟนิตี้”) ผานผิวดานบนและผิวดานลาง ของแพนอากาศ สงผลให 

บทที่ 2 แรงกระทําตอเครื่องบิน

25

ความเร็วของอากาศที่ไหลผานผิวดานบนเร็วกวา ความเร็วของอากาศที่ไหลผานผิวดาน ลาง (ในธรรมชาติอากาศที่มีความเร็วสูงกวา ความดันอากาศต่ํากวา) ดังนั้นแรงดัน อากาศที่กระทําตอผิวดานบนนอยกวาแรงดันอากาศที่กระทําตอผิวดานลาง ผลลัพธคือ แรงลัพธ (ขนาดของ แรงดานลาง ลบ แรงดานบน) มีทิศทางขึ้นคือ แรงดันของอากาศ พยายามยกปกใหลอยขึน้

รูปที่ 2.7 แรงยกตั้งฉากกับทิศทาง ของความเร็วของเครื่องบินหรือ ทิศทางการไหลของ กระแสอากาศ ที่เรียกวากระแสอากาศอิสระ เหตุการณในลักษณะที่อากาศมีความเร็วสูงกวา สงผลใหความดันอากาศต่ํา กวา เปนธรรมชาติของอากาศ นักวิทยาศาสตรไดเขาใจในเรื่องนี้มานานแลว นักเรียน สามารถทําการทดลองไดงายๆ ดูรูปที่ 2.8 ใชแผนกระดาษตัดเปนรูปสี่เหลี่ยมผืนผา ขนาดพอประมาณ ถือตามในรูปและเปาดานบนของกระดาษ ทําใหความเร็วของ อากาศไหลผานผิวดานบนเปนเหตุใหแรงดันอากาศ ที่กระทําตอผิวดานบนต่ําลงกวา ดานลางของแผนกระดาษ ดังนัน้ ดันอากาศดานลาง ซึ่งสูงกวา จึงผลักกระดาษใหลอย ขึ้น นี่คือธรรมชาติของอากาศ ที่บอกเราวา ความเร็วของอากาศสงผลตอความดัน อากาศ เชนเดียวกับแรงยกที่กระทํากับปกเครื่องบิน

26

บทที่ 2 แรงกระทําตอเครื่องบิน

รูปที่ 2.8 การทดลองโดยการเปาลมไปบนแผนกระดาษบาง ทําใหความดันลดลง ปจจัยที่ทําใหแรงยกมีคามากหรือนอย นั้นขึ้นอยูกับ (ดูรูปที่ 2.9) 1. ความเร็วของอากาศ หรือ ความเร็วของเครื่องบิน มีคามาก 2. ชนิดหรือรูปราง ของแพนอากาศ (ที่นํามาทําปก) 3. ขนาดหรือพื้นที่ของปก หรือขนาดของปกใหญ (มีคามาก) 4. การเปดมุมปะทะของปก ดูรูปที่ 2.11

รูปที่ 2.9 แรงยกที่กระทําตอปกที่ทําจากแผนกระดาษดัดโคง ของเครื่องรอนพุงดวยมือ

บทที่ 2 แรงกระทําตอเครื่องบิน

27

รูปที่ 2.10 แรงยกที่กระทํากับปกเครื่องรอนใหลอยอยูไดในอากาศ แตละขางเปรียบได กับแรงจากหลักคู รองรับปกเครื่องรอน คําวา “ความดัน” คือ แรงดันของอากาศที่กระทําตอหนึ่งหนวยพื้นที่ เชน ปอนด ตอ ตารางนิ้ว ( lbf in ) นิวตัน ตอ ตารางเมตร ( N m ) คําวา “แรงดัน” คือ แรงดันของอากาศที่กระทําตอพื้นทีท่ ั้งหมดที่เรากําลัง พิจารณา เชน ปอนด ( lbf ) การเรียนรูในชั้นนี้ นักเรียนรูวาเปนแรงที่มากระทําตอปก เนื่องจากอากาศ ก็ถือวาใชได จะเขาใจรายละเอียดเมื่อเรียนตอไปในชั้นสูงขึ้น 2

2

28

บทที่ 2 แรงกระทําตอเครื่องบิน

รูปที่ 2.11 มุมปะทะ (angle of attack  อานวา “อัลฟา”) คือมุมที่ปกเปดขึ้น โดย เทียบกับทิศทางของกระแสอากาศอิสระ (ทิศทางความเร็วลม)

บทที่ 2 แรงกระทําตอเครื่องบิน

29

2.3 แรงตาน (Drag) แรงตานยังแบงออกเปน 2 ประเภทใหญๆไดดังนี้ 1. แรงตานพาราไซท (Parasite Drag) หรือเรียกวา “แรงตานติดตัว” เปนผล มาจาก ลักษณะของวัตถุ ที่เกิดขึ้นมาเนื่องจากการไหลของอากาศ (ลมพัด) ผานวัตถุ ขนาดของแรงตานพาราไซท จะมากหรือนอย ขึ้นอยูกับ (ดูรูปที่ 2.12) ก.) ความเร็วของกระแสอากาศ ที่ไหลผานวัตถุ ความเร็วมากแรงตานก็มากตาม ความเร็วนอย แรงตานก็นอยตาม ข.) รูปรางของวัตถุ ถามีรูปทรงทื่อ แรงตานทีก่ ระทําจะมาก แตถามีรูปทรง เพรียวลม แรงตานจะนอยกวา ค.) ขนาดของวัตถุ คือถารูปรางเหมือนกัน ขนาดใหญกวาจะมีแรงตาน กระทํา ตอวัตถุมากกวา ง.) ผิวของวัตถุที่เปนมันลื่น ราบเรียบ จะมีแรงตานกระทํานอยกวา วัตถุที่มีผิว หยาบและไมราบเรียบ

รูปที่ 2.12 ในกรณีที่ความเร็วของกระอากาศเทากัน รูปทรงทีม่ ีขนาดใหญและทื่อจะมี แรงตานมากที่สุด

30

บทที่ 2 แรงกระทําตอเครื่องบิน

นอกจากที่กลาวมาในขอ ก.) ถึง ง.) ยังมีสาเหตุอนื่ ๆอีก ที่มผี ลทําใหเกิดแรงตาน ประเภทนี้มากขึ้น เชน ถาวัตถุมีลักษณะที่มีซอกหรือมุม ยอมสงผลใหมแี รงตานมากขึ้น ดวย ซึ่งยังไมกลาวในที่นี้ 2. แรงตานเหนี่ยวนํา (Induce Drag) แรงตานนี้ เปนผลมากจากปกของ เครื่องบิน ซึง่ เปนสวนทําใหเกิดแรงยก พยุงเครื่องบินใหลอยไดทั้งลํา ขนาดของแรงตาน เหนี่ยวนํา จะมากนอยขึ้นอยูกับ ก.) ระยะกางปกเทียบตอความกวางของปก เรียกวา คาแอสเปกเรโช (Aspect Ratio) เปนการเรียกทับศัพท นิยมเขียนวา AR ดูรูปที่ 2.13 และ 2.14 

AR

เมื่อ

b c

b c

คือ ระยะกางปก และ คือ ความกวาง หรือ ความยาวคอรด เฉลี่ยของปก

แตในกรณีที่ไมสามารถบอกไดวาคาความยาวเฉลีย่ ของคอรดมีคาเทาไร คาของ AR สามารถหาไดดังนี้ คือ ความยาวปกยกกําลังสอง (b ) หารดวย พื้นที่ปก S 2



AR

เมื่อ

S

b2 S

คือ พื้นที่ฉายของปก (ปกติเทากับ b  c )

ถาดูใหดีแลวสมการทั้งสองก็คือ สมการเดียวกัน ในสมการแรก เอาคา b คูณทั้งเศษและ สวนทางดานขวาของสมการ ดังนี้ 

AR

bb  b

2

และ

c  b  พื้นที่ปก 

S



bb cb AR



b2 S

นั่นคือแรงตานเหนี่ยวนําขึ้นอยูกับคา แอสเปกเรโช แรงตานเหนี่ยวนําลดลงได

AR ยิ่งมาก

สงผลให

บทที่ 2 แรงกระทําตอเครื่องบิน

รูปที่ 2.13 เปรียบเทียบปกที่มีพื้นทีฉ่ ายเทากันแตมีคา AR ตางกัน

รูปที่ 2.14 พื้นที่ฉายของ และระยะกางปกของเครื่องบินพลังยาง

31

32

บทที่ 2 แรงกระทําตอเครื่องบิน

ความเร็วของเครื่องบินยิง่ มาก แรงตานเหนีย่ วนํายิ่งนอย น้ําหนักเครื่องบินยิ่งนอย แรงตานเหนีย่ วนํายิ่งนอย ความหนาแนนของอากาศยิ่งมาก แรงตานเหนีย่ วนํายิ่งนอย และ รูปรางของปก เมื่อมองจากดานบน เชน เปนรูปสีเ่ หลี่ยม วงรี ฯ มีผลตอ แรงตานเหนีย่ วนํา จะพูดถึงรายละเอียดในเลม ตอไป ข.)

วิธีลดแรงตานเหนี่ยวนํา ที่นิยมใชกันมากคือ การใส วิงเล็ต (Winglet) ไวตรง ปลายปกของเครื่องบิน เหมือนกับเปนการเพิ่มคา แอสเปกเรโช โดยไมตอ งเพิ่มความ ยาวปก ดังในรูปที่ 2.15 ดูแลวเหมือนกับปกหักขึ้น เครื่องบินที่บินระดับสูง ความ หนาแนนของอากาศนอยเปนสาเหตุของแรงตานเหนี่ยวนํา จึงตองปรับปรุงปก เพื่อชวย ลดคาแรงตานเหนี่ยวนํา จะทําใหบินเร็วขึ้น และประหยัดน้ํามันเชื้อเพลิงได

รูปที่ 2.15 วิงเล็ต (Winglet) อยูตรงปลายปกเครื่องบิน ดูคลายปกหักขึ้น ชวยลดแรง ตานเหนี่ยวนํา (Induce Drag)

บทที่ 2 แรงกระทําตอเครื่องบิน

33

2.4 แรงเนื่องจากน้ําหนักที่กระทําตอเครื่องบิน นักเรียนไดรูมาแลววา วัตถุทุกชนิดบนผิวโลกมีแรงเนื่องจากน้ําหนัก กระทําที่ จุดศูนยถวง นิยมเรียกวาจุด CG. โดยเฉพาะเครื่องบิน ยิ่งมีน้ําหนักเบายิ่งดี นั่นคือการ สรางเครื่องบิน ตองสรางขึ้นมาใหเบาที่สุด ในขณะที่มีความแข็งแรงมากพอ ในการใช งาน ไมวาจะโดยสารหรือบรรทุก สัมภาระ สินคา การเลือกใชวัสดุมาทําเครื่องบินเปนสิง่ สําคัญ

รูปที่ 2.16 ตําแหนงของจุด CG. ของเครื่องรอนพุงดวยมือ มีความสําคัญที่จะทําให เครื่องรอน บินไปไดดีหรือไม เครื่องรอนที่นักเรียนเคยทําเลนมาแลว ทําใหเราไดรูวา ตําแนงของจุด CG. มีผล ตอการบินของเครื่องบิน ดังนั้นเรื่องของแรงที่กระทําเนื่องจากน้ําหนัก เราจึงพิจาณาได วา ตองทําใหเบาทีส่ ุด และ จุดCG. ตองอยูในตําแหนงทีเ่ หมาะสม แรงทั้ง 3 แรง ที่กระทําตอเครื่องรอน คือ แรงยก แรงตาน และน้ําหนัก ดูรูปที่ 2.16 ประกอบ ไดถูกกลาวไปแลววา มีผลอยางไร ตอเครื่องรอน ซึ่งหมายรวมถึง เครื่องบิน ทีเ่ ราจะทําเลนดวย ดังนั้นจึงพอสรุปไดวา สําหรับเครื่องบิน ทีก่ ําลังบิน หรือ ลอยอยูในอากาศ แรงกระทําทั้ง 4 นั้นมีทิศทาง ดังที่แสดงอยูในรูปที่ 2.17 ถึง รูปที่ 2.19 จะเห็นวา น้ําหนักอยูในแนวดิ่งเสมอ และแรงยกตั้งฉากกับทิศทาง ความเร็วของ เครื่องบิน (หรือความเร็วของกระแสอากาศอิสระ) เสมอ

34

บทที่ 2 แรงกระทําตอเครื่องบิน

รูปที่ 2.17 เครื่องบิน บินในแนวระดับ บินเดินทาง

รูปที่ 2.18 เครื่องบิน บินไต เพิ่มระดับความสูง

บทที่ 2 แรงกระทําตอเครื่องบิน

รูปที่ 2.19 เครื่องบิน บินดํา ลดระดับอยางรวดเร็ว

รูปที่ 2.20 แรงตานที่กระทําตอเรือ เนื่องจากน้ําและอากาศ

35

36

บทที่ 2 แรงกระทําตอเครื่องบิน

สําหรับเรือก็เชนกัน เพียงแตวามีแรงตานของน้ําดวยเนื่องจากวาสวน หนึ่ง ของเรืออยูในน้ํา และอีกสวนหนึ่งของเรืออยูในอากาศ ดังนั้นจึงพูดเต็มๆ ไดดังนี้ แรงตานที่กระทําตอเรือเนื่องจากน้ํา และยังมีแรงตานที่กระทําตอเรือ เนื่องจากอากาศ ดังในรูปที่ 2.20

บทที่ 2 แรงกระทําตอเครื่องบิน

37

แบบฝกหัดบทที่ 2 2.1

เครื่องบินที่กาํ ลังบินอยูในอากาศ มีแรงอะไรบางที่มากระทํา

2.2

ถาแรงที่กระทําตอเครื่องบินมีลักษณะดังนี้คือ ก. แรงขับ เทากับ แรงตาน ข. แรงยก เทากับ น้ําหนัก จงอธิบายวา เครื่องบินมีการเคลื่อนทีอ่ ยางไร

2.3 การที่ปลาใชหางโบกน้ําไปขางหลัง สงผลใหเกิดแรงกระทําเนื่องจากน้ําใหปลา เคลื่อนที่ไปขางหนา เหตุการณในลักษณะนี้เปนหลักการของ อะไร 2.4 นักเรียนลองยกตัวอยางเหตุการณ ที่เห็นในธรรมชาติ ของการใชหลักการของ โมเมนตัม ในการทําใหเกิดแรงที่กระทําจาก อากาศหรือน้ํา 2.5 ในกรณีที่เครื่องบินมีความเร็วไมมากพอ ที่จะทําใหเกิด แรงยกพยุงใหเครื่องบิน ลอยอยูไดในอากาศ เปนเหตุใหเครื่องบินตกลง เราเรียกเหตุการณนี้วาอะไร 2.6

แรงขับของเครื่องบินไดมาจากอะไร

38

บทที่ 2 แรงกระทําตอเครื่องบิน

2.7

แรงยกที่กระทําตอปกเครื่องบินเปนผลมาจากอะไร

2.8

คาของแรงยก จะมาก จะนอย ขึ้นอยูก ับอะไร

2.9

แรงตานมีกี่ประเภท อะไรบาง จงอธิบาย

2.10 แรงตานติดตัว จะมาก จะนอย ขึน้ อยูกับอะไร 2.11 แรงตานเหนีย่ วนํา จะมาก จะนอย ขึน้ อยูกับอะไร 2.12 น้ําหนักของเครื่องบิน กับแรงตานเหนีย่ วนํา เกี่ยวของกันหรือไมอยางไร 2.13 วิงเล็ต (Winglet) คือ อะไร 2.14 ทิศทางของแรงยก ทิศทางของแรงตาน และทิศทางของน้ําหนัก เปนอยางไร

บทที่ 3 เสถียรภาพและการควบคุม (Stability and Control) เสถียรภาพ เปนคําที่ใชไดกับเหตุการณทั่วไป ไมเฉพาะกับทางวิทยาศาสตร สวน ใหญแลวมักจะเขาใจวาเปนการคงไวซึ่งสภาวะใดสภาวะหนึ่งที่เราตองการ ตัวอยางเชน เราตองการใหเครื่องบินตองบินตรงไปตลอด แมวาจะมีลมหรือแรงภายนอกมากระทํา จะดวยเหตุใดก็ตาม ที่ทําใหเครื่องบิน เอียง หมุน ฯ ตองกลับมาอยูในสภาพเดิมที่เรา ตองการ คือ ไมเอียง ไมหมุน เชน การขับรถยนต ที่ตองการคงสภาวะการวิ่งตรงแมถูก กระทําใหเลีย้ ว แมเราปลอยมือจากพวงมาลัย รถก็ควรจะตอง วิ่งตรงตอไป

รูปที่ 3.1. ลูกหินอยูในตําแหนงปกติ A กนกระทะหงาย O บนพื้นเรียบ B บนกนกระทะคว่ํา กอนที่จะพูดถึงเสถียรภาพของเครื่องบิน ควรทําความเขาใจกับ ความหมายโดย ทั่วไปของคําวาเสถียรภาพ ในทางวิทยาศาสตร ซึง่ มักยกตัวอยาง เหตุการณที่ใชอธิบาย เรื่องของเสถียรภาพ ดวยลูกหินทรงกลม มีอยู 3 เหตุการณ ดังนี้

40

บทที่ 3 เสถียรภาพและการควบคุม

ก.) รูปที่ 3.1 A เปนลูกหินถูกวางอยูที่กนกระทะ ถาเราเอานิ้วมาผลักลูกหิน (เหมือนกับถูกแรงภายนอกมารบกวน หรือกระทํา) เบาๆ ไปยังตําแหนงที่แสดงในรูป ลูก หินจะ กลิ้งกลับมายังตําแหนงเดิมไดเอง ที่กนกระทะ ซึง่ เปนตําแหนงที่สมดุล และ สมมุติวาเราตองการใหกอนหิน อยูต รงตําแหนงที่กนกระทะอยูแลว นี่คอื ตัวอยางของ ความมีเสถียรภาพ อยางที่เราตองการ เรียกวา “เสถียร” (Stable) ข.) ในรูปที่ 3.1 O ลูกหินถูกวางอยูบนพื้นระนาบเรียบ ถาถูกรบกวนโดยใชนิ้ว ผลักออกจากตําแหนงลูกหินจะหยุดอยู ณ ตําแหนงนั้นๆไมกลิ้งกลับมายังที่เดิมเอง นั่น คือ เมื่อลูกหินถูกผลักไปตรงไหนก็ไปหยุดอยูตรงนั้น เสถียรภาพของเหตุการณลักษณะ นี้เรียกวา “เปนกลาง” (Neutron) ค.) ในรูปที่ 3.1 B ลูกหินถูกวางอยูบนกนกระทะคว่ํา ถาถูกรบกวนแมแตเพียง เล็กนอย ลูกหินจะกลิ้งออกจากตําแหนงเดิม และหางออกไปจากตําแหนงเดิมเอง นีค่ ือ ตัวอยางของความไมมีเสถียรภาพ เรียกวา “ไมเสถียร” (Unstable) สําหรับการควบคุมเครื่องบิน โดยสวนใหญ ตองการความมีเสถียรภาพ เชน ตองการใหเครื่องบิน อยูในสภาวะ บินตรงอยูในแนวระดับ เชน เมื่อเครื่องบินถูกทําให เลี้ยว เอียง กม เงย จะเหตุใดก็ตาม อาจจะดวยการถูกรบกวน หรือดวยนักบินไปบังคับ ใหเปนไปดังนั้น เครื่องบินควรจะตองกลับมาบินตรง ไมเลีย้ ว ไมเอียง ไมกม ไมเงย ยังคงบินตรงอยูในแนวระดับเชนเดิม นั่นคือแมนักบินปลอยมือจากชุดควบคุม เครื่องบิน ตองอยูในสภาวะบินตรงในแนวระดับ แตยังมีเครื่องบินบางชนิดไมตองการเสถียรภาพ ในบางกรณี ซึ่งยังไมกลาวถึง

3.1 แกนอางอิงและการควบคุม เครื่องบิน แกนอางอิง (Airplane Axes) สามแกนที่สมมุติขึ้นมาเพื่อใหสะดวก ตอการ พิจารณา และอธิบายการหมุน ของเครื่องบินที่กาํ ลังบินอยูในอากาศ ซึ่งเครื่องบินมีการ เคลื่อนที่อยูแ ลว เรียกวา มีลักษณะการเคลื่อนที่ในแบบสามมิติ แกนที่สมมุติขึ้นมานี้ เปนมาตรฐาน ชวยในการพิจารณาวัตถุในสามมิติ มีอยูสามแกนตั้งฉากซึ่งกันและกัน ตัดกันที่จุด CG. ของเครื่องบิน แสดงอยูในรูปที่ 3.2 เปนการหมุนรอบแกน แตละแกน

บทที่ 3 เสถียรภาพและการควบคุม

41

รูปที่ 3.2 ใชแบบจําลองเครื่องรอนพุงดวยมือ ที่นักเรียนเคยทํากันมาแลวเปนตนแบบ แกนหมุนหลักทั้งสามจะตัดกันที่จุด CG. การหมุนในสองมิติเปนการพิจารณาในกระดาษเปนการหมุนรอบจุดใดจุดหนึ่ง สวนในโลกแหงความเปนจริง วัตถุใดๆจะหมุนในสามมิติ เปนการหมุนรอบแกน มีอยู 3 แกนหลัก อยาลืมวาการหมุนของเครื่องบิน หรือวัตถุใดๆที่ลอยในอากาศ (แมแตใน อวกาศ) ตองหมุนรอบแกนที่ผานจุด CG. ดวยกันทั้งนั้นดังในรูปที่ 3.2 ในสถานการณ จริง อาจมีการหมุนรอบแกนมากกวา หนึ่งแกนในเวลาเดียวกัน เรามาพิจารณากัน ทีละ แกน อยาลืมดูรูปที่ 3.2 ประกอบ และนึกภาพอยางในรูปใหได ดังตอไปนี้

3.1.1 หมุนรอบแนวแกนขวางลําตัว (Lateral Axis) การหมุนรอบแนวแกนขวางลําตัว คือการ กม-เงย ของเครื่องบิน เรียกทับศัพทวา “พิช (Pitch)” เครื่องบินควบคุม การกม-เงย ดวยสวนที่เรียกวา อิลิเวเตอร (Elevator) ติดตั้งอยูตรงสวนของแพนหางระดับ ดูรูปที่ 3.3 เมื่อหัก อิลิเวเตอร ขึ้น เกิดแรงกดที่แพน หางระดับ ทําใหจมูกเครื่องบินเงยขึ้น แตเมื่อหัก อิลิเวเตอร ลง เกิดแรงดันขึ้น ทําใหจมูก เครื่องบินกมลง นี่คือการควบคุมการกม-เงย ของเครื่องบินดวย อิลิเวเตอร

42

บทที่ 3 เสถียรภาพและการควบคุม

รูปที่ 3.3 การหัก อิลิเวเตอร ขึ้น ลง สงผลใหเกิดแรงกระทําที่หางของเครื่องบิน

รูปที่ 3.4 อุปกรณสาธิต การเงยดวยการใชนิ้วกดที่แพนหางระดับ

บทที่ 3 เสถียรภาพและการควบคุม

43

สวนการรักษา เสถียรภาพในการ กม-เงย ใชแพนหางระดับ ดูรูปที่ 3.5 ประกอบ ดวยวาแพนหางระดับทําหนาที่เหมือนกับหางลูกธนู คือเมื่อลูกธนูพุงไปขางหนา อากาศ จะผลักใหหางของลูกธนูปดไปขางหลังเสมอ แตหางลูกธนูใชขนนก หรืออาจจะใชวัสดุที่ เปนแผนระนาบ คลายกับแพนหางระดับ นัน่ คือถาเครื่องบินถูกทําให กมหรือเงย ดวย แรงลมที่มาปะทะแพนหางระดับ จะผลักแพนหางระดับกลับสูแนวเดิม คือขนานไปกับ ทิศทางการเคลื่อนที่ของเครื่องบิน นัน่ คือแพนหางยิ่งมีขนาดใหญ และสวนหางยิ่งยาว ออกไป ยิ่งทําใหมีเสถียรภาพ ในการปรับเขาสูส ภาวะเดิมไดเร็วยิ่งขึ้น

รูปที่ 3.5 สวนที่ใชในการควบคุมเครื่องบินจริง กับของเครื่องบินพลังยาง

3.1.2 หมุนรอบแนวแกนตั้ง (Vertical axis) การหมุนรอบแนวแกนตัง้ เปนลักษณะทาทางหัน ซาย-ขวา เรียกทับศัพท วา “ยอว (Yaw)” เครื่องบินควบคุมการ ยอว ดวยสวนที่เรียกวา “รัดเดอร” (Rudder) ติดตั้ง อยูตรงสวนของแพนหางดิ่ง ดูรูปที่ 3.6 เมื่อหัก รัดเดอร ไปทางซาย เกิดแรงกระทําให เครื่องบินหันไปทางซาย และเมื่อหักรัดเดอรไปทางขวา เกิดแรงกระทําใหเครื่องบินหัน ไปทางขวา นี่คือการควบคุม การหัน ซาย-ขวา ของเครื่องบิน ดวยรัดเดอร สาธิตไดดวย อุปกรณดังในรูปที่ 3.7

44

บทที่ 3 เสถียรภาพและการควบคุม

รูปที่ 3.6 การหัก รัดเดอรไปทาง ซาย-ขวา สงผลใหเกิดแรงกระทําที่หางของเครื่องบิน

รูปที่ 3.7 อุปกรณสาธิต การหัน ซาย-ขวา ดวยการใชนิ้วผลัก ที่แพนหางดิ่ง

บทที่ 3 เสถียรภาพและการควบคุม

45

สวนการรักษา เสถียรภาพในการหัน ซาย-ขวา ใชแพนหางดิ่ง ดูรูปที่ 3.8 ประกอบ ดวยวาแพนหางดิ่งทําหนาที่เหมือนกับหางลูกธนู คือเมื่อลูกธนูพุงไปขางหนา อากาศจะผลักใหหางของลูกธนูปดไปขางหลังเสมอ นั่นคือถาเครื่องบินถูกทําให หัน ซาย-ขวาดวยแรงลมที่มาปะทะแพนหางดิ่ง จะผลักแพนหางดิ่งกลับสูแนวเดิม คือขนาน ไปกับทิศทางการเคลื่อนที่ของเครื่องบิน นั่นคือแพนหางยิ่งมีขนาดใหญ และสวนหางยิ่ง ยาวออกไป ยิ่งทําใหมีเสถียรภาพ ในการปรับเขาสูสภาวะเดิมไดเร็วยิ่งขึ้น

รูปที่ 3.8 แพนหางดิ่งทําหนาที่รักษาเสถียรภาพในทิศทางการบิน

3.1.3 หมุนรอบแนวแกนลําตัว (Longitudinal axis) การหมุนรอบแนวแกนลําตัว เปนลักษณะทาทาง ที่ดูเหมือนการกลิ้งไปทาง ซายขวา หรือ เอียง ซาย-ขวา เรียกทับศัพท วา “โรล” (Roll)” เครื่องบินควบคุมการ โรล ดวย สวนที่เรียกวา “ไอเลรอน” (Aileron) ติดตั้งอยูที่ปก ทั้งสองขาง ดูรูปที่ 3.9 เมื่อตองการ ควบคุมใหเครื่องบินเอียง ไปทางดานใดก็แลวแต แผนควบคุม ที่เรียกวา ไอเลรอน ทัง้ สองขาง จะหักขึ้นขางหนึ่ง และหักลงอีกขางหนึ่งเพื่อตองการใหเกิดแรงกดที่ปกขางหนึ่ง และเกิดแรงยกที่ปกอีกขางหนึ่ง เปนแรงที่พยายามหมุนเครื่องบิน รอบแนวแกนลําตัว ไปในทิศทางที่นักบินตองการ นี่คือการควบคุมการเอียงซาย-ขวา ของเครื่องบินดวย ไอเลรอน สาธิตไดโดยใชอุปกรณสาธิตการหมุน ดังในรูปที่ 3.10

46

บทที่ 3 เสถียรภาพและการควบคุม

รูปที่ 3.9 ควบคุมการหมุนรอบแกน หลักทั้งสาม คือ พิช ยอ และโรล

รูปที่ 3.10 อุปกรณ สาธิตการ โรล โดยใชนิ้วกดปกขางหนึ่งและยกปกอีกขางหนึ่ง

บทที่ 3 เสถียรภาพและการควบคุม

47

รูปที่ 3.11 สรุปการใชอุปกรณสาธิต การหมุนรอบแกนหลัก 3 แกน สวนการรักษาเสถียรภาพในกรณีที่เครื่องบิน มีการโรล เอียง ซาย-ขวา คือ การ ทําใหเครื่องบิน ใหเอียงกลับสูส ภาวะเดิมไดเอง ที่นิยมทํากัน คือ ทําใหปกมีมุมยกขึ้น เรียกวา “ไดฮีดอล” (Dihedral) สวนอีกวิธี คือ การติดตั้งปกไวดานบนของลําตัว เครื่องบิน จะเปนการชวยสรางเสถียรภาพ ในการโรลของเครื่องบินได

3.2 การควบคุมการ กม-เงย ดวยคานาด (Canards) เมื่อเราตองการควบคุมเครื่องบิน ใหเงย นั่นคือตองการใหเครื่องบินลอยสูงขึ้น เรารูแลววาตองหัก อิลิเวเตอรขึ้น เพื่อสรางแรงกดที่แพนหางระดับ ยังมีอีกวิธีหนึ่งที่ใชใน การทําใหเครื่องบินเงยขึน้ ดูรูปที่ 3.12 เปนการเงย โดยสรางแรงยกขึ้น ที่สวนหัวของ เครื่องบิน แสดงวาเราสามารถยายเอาแพนหางระดับ มาไวดานหนาอยางในรูป 3.13 เปนการควบคุมการ (กม-) เงยของเครื่องบิน ดวยวิธีสรางแรงยก เปนผลดีในแงที่วา เปน การชวยเครื่องบินใหลอยสูงขึ้นไดรวดเร็วยิ่งขึ้น เพราะมีแรงยกเสริม แทนที่จะเปนแรงกด ที่หาง ซึง่ เปนการบั่นทอนแรงยกของปกเครื่องบิน

48

บทที่ 3 เสถียรภาพและการควบคุม

รูปที่ 3.12 ใชอุปกรณสาธิตการหมุนของเครื่องบิน โดยลองใชนิ้วดันจมูกเครื่องบินขึ้น จะเห็นวาเครื่องบินเงยขึน้

รูปที่ 3.13 การควบคุม กม-เงย ดวยการยายแพนหางระดับมาไวดานหนาของปก

บทที่ 3 เสถียรภาพและการควบคุม

49

แพนหางระดับที่ถูกยายมาไวดานหนา เพื่อใชควบคุมการ กม-เงย จะถูกเรียกวา “คานาด” (CANARD) แตการใชคานาด จะสงผลใหเครื่องบินไมเสถียร ดูรปู ที่ 3.1 B นั่น คือ นักบินจะตองคอยควบคุม แผนคานาด อยูตลอดเวลาอยางระมัดระวัง นี่คือผลเสีย ของคานาด เบิรท รูทัน (Burt Rutan) นักออกแบบเครื่องบินไดนําเอา คานาด มาใชควบคุม กม-เงย แทนที่จะใชแพนหางระดับ ในรูปที่ 3.14 เปนเครือ่ งบินที่เขาไดออกแบบและ สรางขึ้นมาจะเห็นแผนคานาดอยูดานหนา จากการทดลองบินพบวาสมรรถนะ ของ เครื่องบินลํานี้นาทึ่ง เมื่อเทียบกับกําลังขับทีน่ อยสวนหนึ่งมาจากโครงสราง ที่มีน้ําหนัก เบาพื้นผิวที่เรียบเปนมัน และการนําเอาคานาดมาใชแทนแพนหางระดับ ในยุคปจจุบัน ไดนําเอาระบบควบคุมดวยคอมพิวเตอร ดวยคานาด ที่มีประสิทธิภาพมาใชได

รูปที่ 3.14 เครื่องบินใช คานาด แทนแพนหางระดับ ออกแบบและสรางโดย เบิรท รูทัน (Burt Rutan)

50

บทที่ 3 เสถียรภาพและการควบคุม

เพื่อใหนักเรียนไดเขาใจ เรื่องการกระทําของแรง จะยกตัวอยางในรูปที่ 3.15 เปรียบไดกับคนที่กําลังแบกเสา ดวยแรงยกคาหนึ่ง เพื่อวางบนที่สูง และมีคน คนหนึ่ง มาชวยคนทีก่ ําลังแบกเสา เพื่อใหหัวเสาเงยขึ้น จะไดสามารถวางบนชั้นทีส่ ูงกวาได นัน้ ทําได สองวิธีคือ 1.) คนที่มาชวย ออกแรงกดที่หางเสาใหดานหัวเงยขึ้น ซึ่งวิธีนี้เปนการไปเพิ่ม ภาระของคนแบกเสาใหมากยิ่งขึ้น ถาคนที่กําลังแบกเสามีแรงมาก ก็ไมเปนปญหา แต ถาคนที่กําลังแบกเสา มีแรงนอยแทบแบกเสาไมไหว การกดลงที่หางเสาจะทําใหคน แบก ทรุดตัวลง เปรียบไดกับเครื่องบิน ที่มีแรงยกนอยอาจจะดวย ความเร็วต่ําใกล สภาวะสะตอล และนักบินตองการเงยจมูกเครื่องบินขึ้นดวยวิธีนี้ แรงกดที่หางเปนการ บั่นทอนแรงยก เปนเหตุใหเครื่องบินตกได

รูปที่ 3.15 การใชอิลิเวเตอรควบคุมการเงยจมูกเครื่องบิน เปรียบไดกับการกดหางเสา ใหหัวเสาเงยขึ้น เปนการบั่นทอนแรงยก เหตุการณในลักษณะนีเ้ คยเกิดขึ้นกับ ลิเลียนทาล นักทดลองและสรางเครื่อง รอนชาวเยอรมัน การทดลองเครื่องรอนของลิเลียนทาล ดูรูปที่3.16 ในขณะที่เครื่องรอน ของเขากําลังลดระดับลง และเขาพยายามที่จะเงยจมูกเครื่องรอนขึ้น ดวยการทําใหเกิด แรงกดที่แพนหางระดับ แตแรงยกจากปกของเครื่องรอนไมเพียงพอที่จะพยุงเครื่องรอน

บทที่ 3 เสถียรภาพและการควบคุม

51

ของเขาใหลอยอยูตอไปไดจึงตกลงยังพื้น เปนเพราะแรงกดที่แพนหางระดับไปบั่นทอน แรงยก ที่มีอยูนอยเต็มทีในขณะนั้น อุบัติเหตุครั้งนีไ้ ดทําให ลิเลียนทาล นักประดิษฐผมู ี ชื่อเสียงของโลกตองเสียชีวิตลง ตามปกติเครื่องบินจะมีแรงยกมากพอ กับการใชแพน หางระดับ และอิลเิ วเตอรควบคุมการกม-เงย โดยไมสงผลให เกิดการสะตอล จึงไมมี ปญหาอยางที่ ลิเลียนทาล ประสบ

รูปที่ 3.16 เครื่องรอนของลิเลียนทาล ใชแพนหางระดับ ในการควบคุมการ กม-เงย ของ เครื่องรอน ที่เขาสรางขึ้น และประสบความสําเร็จหลายครั้งในการรอน 2.) คนที่มาชวย แทนทีจ่ ะไปออกแรงกดที่หางเสาใหดานหัวเงยขึ้น ก็เปลีย่ นมา ชวยยกขึ้นตรงดานหัวเสา แมวาคนที่กําลังแบกเสามีแรงนอยแทบแบกเสาไมไหว แต ดวยการที่คนชวยทําใหเสาเงย แทนที่จะมากด แตมาชวยยกดวย เปรียบไดกับเครื่องบิน ที่มแี รงยกนอยอาจจะดวย ความเร็วต่ําใกลสภาวะสะตอล และนักบินตองการเงยจมูก เครื่องบินขึ้นดวยวิธีนี้ จะชวยปองกันการสะตอล ในกรณีฉกุ เฉิน อยางที่ลิเลียนทาลได ประสบมาแลว ดูรูปที่ 3.17

52

บทที่ 3 เสถียรภาพและการควบคุม

รูปที่ 3.17 การใชคานาด ควบคุมการเงยจมูกเครือ่ งบิน เปรียบไดกับการใชแรงชวยยกที่ เสาใหหัวเสาเงยขึ้น เปนการเสริมแรงยก

รูปที่ 3.18 เครื่องบินของสองพี่นองไรท ออกแบบใหควบคุมการกมเงยดวยคานาด เหตุการณที่เกิดขึ้นกับ ลิเลียนทาล เปนขาวที่แพรไปทั่วโลกในเวลานัน้ เปนแรง บันดาลใจใหสองพี่นองตระกูลไรท มีความตั้งที่จะสรางเครื่องบินใหสําเร็จ และตองการ หลีกเลี่ยงเหตุการณที่เคยเกิดขึ้นกับ ลิเลียนทาล จึงไดออกแบบวิธีควบคุม การกม-เงย

บทที่ 3 เสถียรภาพและการควบคุม

53

ดวยการยายแพนหางระดับมาไวขางหนาของปกเครื่องบิน ที่เรียกวา คานาด สองพี่นอ ง ไรท เขาใจดีวาวิธีนี้จะเปนการชวยเพิ่มแรงยกเมื่อตองการใหเครื่องบินเงย ซึ่งตางจาก แพนหางระดับและอิลเิ วเตอร ที่ไปลดแรงยก เมือ่ ตองการเงย ดูรูปที่ 3.18 โดยรวมแลว การที่เครื่องบินใชแพนหางระดับในการควบคุม กม-เงย ยังคงดีกวา การใช คานาด เพราะ ความมีเสถียรภาพ ซึ่งถาตองการใชคานาด การควบคุม คานาด ตองมีความแมนยํา เชื่อถือไดนั่นคือ ตองใชคอมพิวเตอรในการควบคุม ในอนาคตหรือ แมในปจจุบนั เครื่องบินบางรุนไดนําเอา คานาดมาใช ไมวาจะเปนเครื่องบินรบ หรือ เครื่องบินโดยสาร ซึ่งอาจจะใชรวมกัน กับแพนหางระดับ ดูรูปที่ 3.19 แตสําหรับการทํา เครื่องบิน ไวเลนยังควรทีจ่ ะตองใชแพนหางระดับประกอบกับอิลิเวเตอร จึงจะเหมาะสม

รูปที่ 3.19 เครื่องบิน เพียชจิโอ อาวันติ (Piaggio P180 Avanti) ของ อิตาลี เปน เครื่องบินรุนใหมที่ใชแพนหางระดับ รวมกับ คานาด อีกสวนหนึ่งที่เปนขอดีของ คานาด เปนการเปลีย่ นตําแหนงของเครื่องยนตไปไว ดานหลัง หรือหางของเครื่องบิน การติดตั้งเครื่องยนตไวดานหนาตองใชใบพัดดึงเครื่อง

54

บทที่ 3 เสถียรภาพและการควบคุม

ทําใหประสิทธิภาพลดลง เนื่องจากการปะทะของกระแสอากาศเขากับลําตัว และ บางสวนของเครื่องบิน การใชใบพัดผลักจะไมสงผลเสียดังกลาว และใหประสิทธิภาพสูง กวา ใบพัดผลักตองติดตั้งอยูดานหางเครื่องบินสําหรับเครื่องยนตเดียว และทําใหจุดCG เลื่อนไปทางดานหลัง เพราะวาปกควรติดตั้งอยูใกลจุดCG ดังนั้นจึงเปนการทําใหปกอยู หางจาก คานาดไปทางดานหลังมากขึ้น ดังนั้นเครื่องบินที่ใช คานาด จึงเหมาะกับ การ ติดตั้งเครื่องยนตไวดานหางของเครื่องบิน รูปที่ 3.20

รูปที่ 3.20 เครื่องบิน บีชสตารชิพ (Beech Starship) รุนใหมใช คานาด

บทที่ 3 เสถียรภาพและการควบคุม

55

แบบฝกหัดบทที่ 3 3.1 เหตุการณที่นิยมใชอธิบายในเรื่องของเสถียรภาพมีเหตุการณ อะไรบาง 3.2 สวนใดของเครื่องบินที่ใชในการควบคุม การหมุนของเครื่องบินรอบแนว แกนขวางลําตัว 3.3 สวนใดของเครื่องบิน ที่ชวยทําใหเครื่องบินมีเสถียรภาพ ในการหมุน รอบแนวแกนขวางลําตัว (เมื่อเครื่องบิน กมหรือเงย แลวกลับมายัง ตําแหนงเดิมไดเอง) 3.4 สวนใดของเครื่องบินที่ใชในการควบคุม การหมุนของเครื่องบินรอบแนว แกนตั้ง 3.5 สวนใดของเครื่องบิน ที่ชวยทําใหเครื่องบินมีเสถียรภาพ ในการหมุน รอบแนวแกนตั้ง (เมื่อเครื่องบินหัน แลวกลับมายังตําแหนงเดิมไดเอง) 3.6 สวนใดของเครื่องบินที่ใชในการควบคุม การหมุนของเครื่องบินรอบแนว แกนลําตัว 3.7 มีวิธีใดบาง ที่ชวยทําใหเครื่องบินมี เสถียรภาพ ในการหมุนรอบแนว แกนลําตัว (เมื่อเครื่องบินเอียงแลวกลับมายังตําแหนงเดิมไดเอง)

56

บทที่ 3 เสถียรภาพและการควบคุม

3.8 คานาด (Canard) คืออะไร มีขอดี ขอเสีย อยางไรเมื่อเทียบกับ การใช แพนหางระดับ และอิลิเวเตอร 3.9 ลิเลียนทาล เลือกใชวิธีใด ในการควบคุมการกม-เงย 3.10 ทําไม สองพี่นองไรท จึงเลือกใช คานาดในการควบคุมการ กม-เงย 3.11 คานาด ใชรวมกับ แพนหางระดับไดหรือไม อธิบายประกอบยอๆ

บทที่ 4 แนวทางการแผนแบบเครือ่ งบิน ในบทนี้จะเปนการพูดถึงการแผนแบบเครื่องบินจริง เพื่อเปนแนวทางและความรู ขั้นพื้นฐานตอไป นักเรียนอาจมีการดัดแปลงบางสวนของเครื่องบินพลังยางที่เราจะทํา เลนได ตามความเขาใจของเรา กฎเกณฑตางๆในธรรมชาติที่ถูกคนพบหรือที่นิยมเรียก กันทั่วไปวากฎทางฟสิกส ก็สามารถนํามาประยุกตใชกับการแผนแบบเครือ่ งบินอยางที่ ตองการได ถาเชนนัน้ เรามาดูกันวา หลักการทางอากาศพลศาสตรนั้น นํามาใช ประโยชนอะไรไดอีกบาง จุดมุงหมายของการที่มนุษยเราพยายามคนควา ในเรื่องของ อากาศพลศาสตร ก็คือการผลิตเทคโนโลยีใหมๆ ที่นําไปสรางเครื่องบินที่ดขี ึ้น หรือพูดได วาเพื่อการแผนแบบเครื่องบิน ที่มีคณ ุ สมบัติที่ดีอยางที่ตองการ คําวา “แผนแบบ” ในที่นไี้ มไดหมายความวา เปนกระบวนการทํางาน ทีละขั้น ที ละขั้น จนไปถึงเปาหมาย แตเปน กระบวนการทีอ่ าจมีความแตกตางกัน ในขั้นตอน ซึ่ง ขึ้นอยูกับความรูทั้ง ทางวิทยาศาสตร ดานศิลปะ และ ความเขาใจของผูแผนแบบเปน เรื่องปกติ สําหรับการสรางสิ่งตางๆ ที่มนุษยคิดขึน้ มาเพื่อใชประโยชน อาจจะมาจาก จินตนาการใหมๆ บนพืน้ ฐานของความเขาใจที่ถูกตอง จากการเรียนรูและประสบการณ เหมือนกับการบินของนักบิน แมจะมีขั้นตอนหลักๆเหมือนกัน แตในรายละเอียดไม สามารถสอนใหทําเหมือนกันทุกอยางในแตละขั้นตอนตามในหนังสือได ขึ้นอยูกับการ ฝกภายใตแบบแผนหนึ่ง และอุปนิสัยสวนตัวของแตละคน ความรูดานอากาศพลศาสตร เปนเพียงสวนหนึง่ ของการนํามาพิจารณาในการ แผนแบบเครือ่ งบิน นอกนั้นยังมีความรูในเรื่อง โครงสราง (Structure) เครื่องยนต (Propulsion) เสถียรภาพและการควบคุม (Stability and control) และความรูที่ เกี่ยวของในดานอื่นๆอีก เครื่องบินที่ไดมีการแผนแบบ และถูกสรางขึ้นมา ตองใช บุคลากรที่มีความสามารถและประสบการณ ในแตละดานดังกลาว เปนจํานวนมาก อยางไรก็ตามการใชความรูทางดานอากาศพลศาสตร ถือไดวา เปนพื้นฐานเบื้องแรกใน การพิจาณา เพื่อเปนจุดเริ่มตนในการแผนแบบเครือ่ งบิน ที่ตองการ

58

บทที่ 4 แนวทางการแผนแบบเครื่องบิน

4.1 ขอมูลจําเพาะในการแผนแบบ (Design Specifications) กอนการเริ่มตน แผนแบบเครื่องบิน ตองเริ่มตนดวยการกําหนดขอมูลขั้นพืน้ ฐาน คือขอมูลจําเพาะ (Specification) ของเครื่องบินทีเ่ ราตองการ ดังนี้ - น้ําหนักบรรทุก (Payload) เชน จํานวนผูโดยสาร สัมภาระ หรือ อาวุธ - ระยะทางในการบิน (Range or Endurance) - ความเร็วในการบินเดินทาง (Cruising speed) และ ความเร็วสูงสุด (Top speed) - ระยะทางทีใ่ ชในการบิน ขึ้น และลง (Field length) บนรันเวย - เพดานบิน (Ceiling) หรือระดับความสูงในการบิน บริษัทผูส รางเครื่องบิน ที่กําลังแผนแบบเครื่องบินรุนใหมๆออกมา ไดยึดเอา ความตองการ ของตลาดหรือ ผูบริโภค เปนตัวตั้ง ดวยวิธีหาขอมูลและ ทําความเขาใจ กับกระแสของเทคโนโลยีในปจจุบัน ยกตัวอยางเชน บริษัทสรางเครื่องบิน ตองตัดสินใจ ถึงความเปนไปได และคูแขงทางการคาในตลาดของเครื่องบินใหม ซึ่งมีคุณสมบัติ จําเพาะดังนี้ เชน - น้ําหนักบรรทุก - ระยะทางบิน - ความเร็วเดินทาง - ระยะทางบินขึ้น บินลง

: : : :

นักบิน และผูโดยสารอีก 5 คน 1,000 ไมลทะเล (nautical miles) 200 นอต อยางนอย 2,000 ฟุต

คุณสมบัติจําเพาะเหลานี้ ตองถูกสงไปยังสวนของวิศวกร เพื่อพิจารณาถึงความ เปนไปได ของเครื่องบินที่มีคุณสมบัติดังกลาว ซึ่งอาจเปนไปไมได ที่จะทําไดใหครบ ตามคุณสมบัติดังกลาว หรืออาจจะสามารถทําใหไดคุณสมบัติที่สูงกวาที่ตองการได อยางไรก็ตามการสรุปผลในขั้นสุดทาย ขึ้นอยูที่ผมู ีอํานาจในการตัดสินใจ กรณีเปนเครื่องบินที่ใชทางการทหาร การบริการหลังการขาย ถือเปนความ ตองการสวนหนึ่งในการพิจารณาซื้อ การเสนอขายเครื่องบินรบ มักจะตองมีเงื่อนไขเรื่อง

บทที่ 4 แนวทางการแผนแบบเครื่องบิน

59

การบริการหลังการขาย ในดานตางๆ สงมาดวย นอกเหนือจากคุณสมบัติที่ตรงตาม ความตองการของ ทางทหารแลว แมแตสายการบินพาณิชย ในปจจุบนั ก็ยังใชวิธีนใี้ น การซื้อเครื่องบิน ทั้งผูท สี่ รางเครื่องบินขาย และผูซื้อเครื่องบินไปทําธุรกิจ ตางก็ตอ งมี ขอตกลงซึ่งกันและกัน เพือ่ ปองกันผลที่จะตามมาในอนาคตที่อีกฝาย ตองการเพิ่มขึ้นมา นอกเหนือจาก ในตอนแรกที่ตกลงกันไว อาจจะเปนปญหาได ความตองการในเรื่องความประหยัด ปจจุบนั มีผลมาก ทุกบริษัทที่ซื้อเครือ่ งบิน จะเนนในเรื่องนี้ สมัยกอนในชวงป ค.ศ. 1960 เรื่องราคาหรือความประหยัด เปนเรือ่ ง รองจากสมรรถนะโดยเฉพาะเครื่องบินรบและในชวงนั้นราคาของเครื่องบินมีการขยับตัว สูงขึ้นอยางมาก เปนเหตุใหราคาของเครื่องบินจึงกลายมาเปนปจจัย อันดับแรก ในการ พิจารณาซื้อของสายการบิน ในป ค.ศ. 1970 เปน ผลกระทบของราคาน้ํามันจากตะวันออกกลางที่ทาํ ใหตอง พิจารณาในเรื่องของความสิ้นเปลืองเชื้อเพลิง ปจจัยในเรื่องของการบํารุงรักษา กลาย มาเปนสวนหนึ่งในการพิจารณาแผนแบบเครื่องบิน ตองบํารุงรักษางายและราคาถูก ใช ทนนาน ซึง่ ก็คือมีความนาเชื่อถือไมเสียงาย อันที่จริงแลวก็เปนหลักการพื้นฐานของ เครื่องใชทั่วไป เชนรถยนต ผูใชหรือผูซื้อก็ตองการใหเปนเชนนี้เหมือนกัน สรุปแลว นอกจากเรื่องของสมรรถนะแลวสิ่งที่ ผูแผนแบบตองคํานึงถึง คือ - ราคาขายของเครื่องบินตองถูก - ความประหยัดเชื้อเพลิง ตองสิ้นเปลืองเชื้อเพลิงนอยไดระยะทางไกล - การบํารุงรักษาตองงาย อะไหล และคาซอมถูก - ความนาเชือ่ ถือ ในการใชงาน คือมีความปลอดภัยสูง ทนทาน อยูไดนาน

4.2 หลักเกณฑในการแผนแบบ (Airworthiness Requirements) นอกจากความตองการที่เพิ่มขึ้นมานอกเหนือจาก สมรรถนะดังที่ไดกลาวไปแลว นักแผนแบบ ยังตองคํานึงถึง มาตรฐานและกฎระเบียบขอบังคับ ที่ใหความสําคัญกับ ความปลอดภัย ตามองคกรที่รัฐบาลเปนผูตั้งขึน้

60

บทที่ 4 แนวทางการแผนแบบเครื่องบิน

ในสหรัฐอเมริกา สมาพันธผูบริหารการบิน (Federal Aviation Administration FAA) ไดเสนอกฎแหงความปลอดภัยสําหรับเครือ่ งบินพลเรือน กฎของสมาพันธขอ 23 และ 25 ไดครอบคลุม ในเรื่องของความปลอดภัย เชน ในขอ 23 ใชกับเครื่องบินขนาด เบาที่มีน้ําหนักรวม 12,500 ปอนด หรือนอยกวา สวนเครื่องบินทีมีน้ําหนักรวมสูงกวานี้ ตองอยูภายใตกฎในขอ 25 การออกใบรับรอง จึงขึ้นอยูกับ น้ําหนักรวมในขณะบินขึ้น ในกฎขอที่ 25 เปนการแบงประเภทเพื่อความเหมาะสมในการบินขนสง อยาง เปนทางการ มีชื่อวา มาตรฐานความเหมาะสมในการบิน (Airworthiness Standards) สวนในกฎขอที่ 23 เปนระเบียบที่ใชกับเครื่องบินขนาดเบา ทั่วๆไป จึงเปนหลักเกณฑ ของผูแผนแบบเครื่องบินขนาดเบาทั้งหลาย ซึ่งกลาวถึง สมรรถนะ ขอจํากัดของทาทาง การบิน ความตองการโดยทั่วไปของเครื่องบินฝก ภาระกรรมที่รับ โครงสรางตองมีความ แข็งแรงพอทีจ่ ะรับแรงที่เกิดขึ้นเนื่องจากการ เพิม่ -ลด-เปลี่ยนทิศทาง ความเร็ว (เชน เวลารถ เรง-เบรก-เลี้ยว เราจะรูสึกไดวามีแรงกระทํา) การแผนแบบที่ดจี ะตองเครงครัด ตอกติกาที่ไดวางไวเครื่องบินที่มีความปลอดภัย บินทําความเร็วได 150 นอต ยังดีกวา เครื่องบินไรความปลอดภัย ที่บินทําความเร็วได 170 นอต

4.3 ขั้นตอนในการแผนแบบ (Design Phases) การแผนแบบเครื่องบิน ประกอบดวยกลุมคนที่มคี วามสามารถ หลายกลุม จาก แตละสาขา ทุกคนไมไดเริ่มงานพรอมกัน การแผนแบบ ฐานลอไมไดเริ่มตนไปกับการ แผนแบบลําตัว สิ่งทั้งหลายที่ประกอบรวมกันเขาเปนเครื่องบิน ไมไดมีการแผนแบบใน เวลาเดียวกัน แตจะทยอย แผนแบบ ไปตามขัน้ ตอน กอนหลัง ตามความเหมาะสม บางอยางจะเริ่มแผนแบบไดตอเมื่อ ชิ้นสวนบางอยางตองแผนแบบจนเสร็จเรียบรอย กอน แตบางสวนก็ตองมีการแผนแบบไปพรอมๆกัน ขั้นตอนและชวงเวลาในการแผน แบบนั้นโดยทั่วไป จะแบงออกเปนสามขั้นตอนดังนี้ 1. แนวความคิดเบื้องตนในการแผนแบบ (Conceptual design) 2. การแผนแบบเบื้องตน (Preliminary design) 3. การแผนแบบในรายละเอียด (Detail design)

บทที่ 4 แนวทางการแผนแบบเครื่องบิน

61

แนวความคิดเบื้องตนในการแผนแบบ (Conceptual design) เปนสิ่งแรกที่ตอง ทําในการแผนแบบ การใหชื่อที่บอกความหมายของเครื่องบินที่จะสราง ความคิดทั่วๆไป เครื่องบินลํานี้จะมีหนาตาเปนอยางไร การเสก็ตภาพคราวๆของเครื่องบินเกิดในขั้นนี้ มี การนําเอาคุณสมบัติพื้นฐานมาพิจารณา เชน จะเปนเครื่องยนตประเภทไหน เทอรโบ เจ็ต เทอรโบพรอบ หรือ ลูกสูบหมุนใบพัด หนึ่ง หรือสองเครื่องยนต ตําแหนงของปก อยู บนหรือลาง จะเปนแบบพับฐานลอไดหรือไม ขอบเขตของคุณสมบัติจําเพาะ ที่ไดวางไวแตแรก จะเปนตัวชวยตอบคําถาม เชน ตองการความเร็วเดินทาง เทากับ 500 นอต ก็ตองเปนเครื่องยนตเจ็ต ตองการ บรรทุกผูโดยสาร 200 คน ตองใชเครื่องยนต มากกวาหนึ่งเครือ่ ง หรือจะเปนอยางไร ใน สวนตางๆของเครื่องบิน ก็อยูที่การตกลงกันในกลุมผูแผนแบบ ของขัน้ ตอนนี้ การ ตัดสินใจสุดทายคงตองอยูที่ผแู ผนแบบที่มีประสบการณ การแผนแบบเบื้องตน (Preliminary design) ในขั้นตอนนี้ เปนการนําเอา คุณสมบัติพื้นฐานมาพิจารณา มีความสอดคลองกับ การแผนแบบทางอากาศ พลศาสตร และมองลงไปในรายละเอียด ของโครงสรางที่ตองใหความสําคัญ และคอย มาใสรายละเอียด ในสวนของคุณสมบัติทางอากาศพลศาสตร ทีเ่ ปนสวนภายนอก ทั้งหมดของเครื่องบิน การแผนแบบในรายละเอียด (Detail design) เปนตอนสุดทายของการแผนแบบ เปนการเสริมในเรื่องของโครงสรางใหแข็งแรงขึ้น จากแรงทางอากาศพลศาสตรที่เกิดขึ้น และลงตัวกับรูปรางที่ไดกาํ หนดไว การทํางานในขั้นนี้เหมือนกับเปนการปรับปรุงการ แผนแบบของขั้นตอน กอนหนานี้ แตไมใชการเปลี่ยนแปลง ผลของการแผนแบบในขั้น กอนหนานี้ ที่เปนเรื่องหลัก เชน คานหลัก (Spar) ที่ใชในสวนของปกที่รับแรง ซึ่ง สอดคลองกับความหนาของแพนอากาศที่มาใชทําปก ที่ตองมีน้ําหนักและความแข็งแรง พอดี ถาแกตองแกในขั้นตอนของ การแผนแบบเบื้องตน เชนตองการใหมีปกที่หนาขึ้นก็ ยอมทําไดแตเปนการกลับไปแกในขัน้ ตอน การแผนแบบเบื้องตน ซึง่ เปนการทบทวน แนวความคิดเบื้องตนวาจะใหเครื่องบินอยางที่ตอ งการ ไดจริงหรือไม การแผนแบบ

62

บทที่ 4 แนวทางการแผนแบบเครื่องบิน

ยอมมีการเปลี่ยนแปลงไดในแตละขัน้ ตอน เพื่อใหผลงานออกมาดีที่สุด จนกวาจะถึงขั้น สรางชิ้นงานในโรงงาน สําหรับหนังสือเลมนี้การแผนแบบ จะอธิบายโดยเนนไปในเรื่องของคุณสมบัติ ทางอากาศพลศาสตรเปนหลัก ซึ่งเปนไปตามจุดมุงหมายของหนังสือ ในการทํางานจริง นั้นตองอาศัยความรูและประสบการณหลายดานไมวาจะเปน ในเรื่องแนวความคิด การ แผนแบบพื้นฐาน การแผนแบบโครงสราง ฯ เปนเรื่องปกติของการสรางสิ่งของเพื่อ นํามาใชงาน เครื่องใชอื่นๆก็เชนกัน ตองใชความรูหลายดาน นํามาผสมผสาน

4.4 กระบวนการแผนแบบ (The Design Process) ผูที่เพิ่งเริ่มงานแผนแบบเครื่องบิน เมือ่ ไดลองแผนแบบเครื่องบินขึ้นสักลําอาจจะ ตองเกิดความหงุดหงิดจากผลที่ไดรับ แมพยายามจะปรับปรุงสมรรถนะใหไดดีขนึ้ ตามที่ไดกําหนดไวแตแรก สําหรับเครื่องบิน ความพยายามทําสมรรถนะในเรื่องหนึ่งให ดี อาจจะสงผลลบตอสมรรถนะ ในดานอื่น ยกตัวอยางเชน ตองการความเร็วเดินทางสูง จึงตองทําใหแรงตานลดลง ผูแผนแบบเลือกใชปกที่มีขนาดเล็กเพื่อทําใหแรงตานลดลง สิ่งที่ตามมา(ซึ่งไมตองการ) คือ ความเร็วสะตอลสูง สงผลใหการบินขึ้นและบินลงใช ระยะทางยาวขึ้น แตกแ็ กไขดวยการ ใสแฟลบขนาดใหญ และเพิ่มกําลังขับของ เครื่องยนต (เลือกเครือ่ งยนตที่ใหญขึ้น) ซึ่งเทากับเปนการเพิ่มน้ําหนักใหกับเครื่องบิน ทําใหความเร็วลดลง เปนการลดสมรรถนะของเครื่องบินลงไปอีก กลายเปนวาตองเพิ่ม ตนทุน โดยทีไ่ มไดสมรรถนะเพิ่ม ทางที่ดี ควรจะเลือกปกที่มีขนาดใหญพอ ที่จะทําใหการบินขึ้นและบินลง ทําได งายและใชระยะทางสัน้ หลังจากนัน้ จึงคํานวณหา ความเร็วเดินทาง ถาไดต่ํากวาที่ ตองการ ลองดูเครื่องยนตที่มีขนาดใหญขึ้น และดูน้ําหนักดวย ประกอบกับความ สิ้นเปลืองเชือ้ เพลิงทีเ่ พิ่มขึ้น เพื่อหาน้ําหนักรวมที่ตองเพิ่มขึ้น ถาอยูใ นเกณฑก็ถือวา ใชได ผลสุดทายของการแผนแบบ มักจะจบลงทีก่ ารเลือกปกซึ่งใหผลอยูระหวาง ความเร็วที่เหมาะสม กับ สมรรถนะในการบินขึ้น และบินลง จะตองลงตัวที่คาใดคาหนึ่ง

บทที่ 4 แนวทางการแผนแบบเครื่องบิน

63

ในธรรมชาติของการแผนแบบเครื่องบินแลว การหาขอสรุปทีล่ งตัวเปนเรื่องสําคัญ เหมือนการประนีประนอมของสมรรถนะแตละดานของเครื่องบิน จะใหอกี อันหนึ่งดี แต ไปทําใหอีกดานหนึ่งแยลง ก็คงไมเหมาะ จําตองปรับใหพอดีในทุกดาน นักแผนแบบมือ อาชีพ ใชคาํ พูดวา “เทรดออฟ (Tradeoff)” หมาย ความวา ยอมเสียอยางหนึ่ง เพื่อใหไดอีกอยางหนึ่ง เชนเดียวกับผูทําการคา คือ ขายสินคาโดยที่บางอยางจําตอง ยอมไดกําไรนอย หรือแทบไมได แตผลเฉลี่ยรวมแลว ไดกําไรตามที่ตองการก็ถือวาใชได การแผนแบบเครื่องบินก็เชนกัน สมรรถนะบางสวนอาจตองยอมลดลง เพื่อใหได สมรรถนะโดยรวมที่ดีที่สุด ตองไมมีการมองสมรรถนะดานใดดานหนึง่ โดดๆ ตองไป ดวยกันทุกดาน บางอยางที่จําตองทํา แมเปนการลดสมรรถนะของเครื่องบินลง เชน ตองยอมเพิ่มน้ําหนัก เพือ่ ทําใหหองโดยสารนานั่งรูสึกสบาย การลดตนทุนการสราง การ ทําใหการบํารุงรักษางายขึ้น การเพิ่มความปลอดภัยในการบิน เครื่องบินที่ถูกผลิต ออกมาขาย มีการพิจารณาปจจัยเพือ่ การแผนแบบในลักษณะนี้ทั้งนั้น ยังมีนักเลนเครื่องบิน (ในสหรัฐอเมริกา) จํานวนไมนอยที่มักจะผิดหวังกับเครื่อง บินจําพวก ประกอบหรือสรางขึ้นเองที่บาน (Homebuilt or Kit plane) โดยอาศัย ชิ้นสวนที่ซื้อมา แตไมไดคุณภาพหรือสมรรถนะอยางที่ตองการ จึงมีความพยายามที่จะ ใหเกิดความเปนธรรมกับผูซื้อ เชนการกระจายขาวของ ผลิตภัณฑที่ไมไดมาตรฐาน เชน เครื่องยนตมีกําลังขับนอยไป เพื่อไมให ผูซื้อรายอื่นตองผิดหวังจากเครื่องบินที่ซื้อไป เปนความจําเปนของผูผลิตทุกราย ที่ตองพยายามปรับปรุงคุณภาพของเครื่องบินที่สราง ขึ้นมาใหไดมาตรฐาน ดวยเหตุนี้ เครื่องบินที่มีสมรรถนะในระดับเดียวกัน รูปลักษณ โดยรวมจะคลายกัน แมผลิตมาจากบริษัทตางกัน ไมวาจะเปนการกางปก น้ําหนัก กําลังเครื่องยนต ฯ เพราะวาเมื่อการแผนแบบนั้นเขาที่ คือนาจะดีที่สดุ แลวผลออกมา จึงไดมีความใกลเคียงกัน ในแงของรูปราง และสิ่งประกอบอื่นๆ

4.5 แนวความคิดเริ่มตน (Initial Conception) สิ่งที่ตองทําอันดับแรกของแนวความคิดในการแผนแบบ คือศึกษาถึงคุณสมบัติ จําเพาะหรือความตองการพื้นฐาน ที่บอกใหเรารูวาเครื่องบินในแนวความคิดนี้ จะมี

64

บทที่ 4 แนวทางการแผนแบบเครื่องบิน

เครื่องยนตแบบไหน รูปรางหลักๆเปนอยางไร มีความเปนไปไดในการสรางออกมามาก นอยแคไหน ความตองการบางอยางอาจสูงเกินไป และอะไรเปนเปาหมายหลัก เปาหมายรอง อยางเชน เครื่องบินสําหรับไวใชแขงขัน หรือเครื่องบินรบ ความเร็วและ สมรรถนะในการทําทาทางการบิน ตองเปนเปาหมายหลัก สวนเครื่องบินโดยสารขาม มหาสมุทร ก็ตองบินไดระยะทางไกล แตเปาหมายหลักตองไมทําให สมรรถนะในดาน อื่นลดลงเกินกวามาตรฐานกําหนด เชน เครื่องบินรบทําความเร็วไดถึง มัค4 แตตองใช ระยะทางบินลง หาไมล (ไมนามีสนามบินลงได) หรือเครื่องบินเดินทางไดไกลถึง 10,000 ไมล แตบินไดดวยความเร็ว แค 100 นอต (คงไมมีผูโดยสารคนไหนอยากจะไป ดวยแมมีสมรรถนะบางดานดีมากๆ) เรารูแลววา การแผนแบบใหเครื่องบิน มีสมรรถนะบางดานเปนไปตามความ ตองการ แตก็สงผล หรือมีความเกี่ยวพันธกับสมรรถนะในดานอื่นดวย กรอบที่ใชในการ พิจารณาที่นาเชื่อถือ เพื่อใหไดเครื่องบินที่สมบูรณ และเปนไปตามตองการ มีดังนี้ เพื่อใหไดสมรรถนะดังกลาว ในแตละดาน สวนของสมรรถนะ คุณสมบัติ ของเครื่องบิน ที่ตองการ คือ น้ําหนักบรรทุก(มาก) : หองบรรทุกของขนาดใหญ กําลังขับสูง น้ําหนักเบา ความเร็ว(สูง) : แรงตานนอย (สวนตางๆตองมีขนาดเล็ก) กําลังขับสูง ระยะทางบิน(ไกล) : น้ําหนักเบา แรงตานนอย สิ้นเปลืองเชื้อเพลิงนอย ถังเก็บเชื้อเพลิงใหญ ระยะทางบินขึ้น(สั้น) : กําลังขับสูง พื้นที่ปกมาก แรงยกมาก แรงตานนอย น้ําหนักเบา ระยะทางบินลง(สั้น) : ใชระยะทางสั้น พืน้ ที่ปก มาก แรงยกมาก น้ําหนักเบา อัตราไต(เร็ว), เพดานบิน (สูง) : กําลังขับสูง แรงตานนอย น้ําหนักเบา จากขอมูลขางบน เราจะเห็นความขัดแยงของคุณสมบัติที่ตองการ เชน ตองการ ใหบินไดไกล ตองการถังเก็บเชื้อเพลิงขนาดใหญ และขนาดของเครื่องบินดวย สงผลไป ยังโครงสรางตองใหญขึ้น ซึ่งเปนการเพิ่มน้ําหนักใหกับเครื่องบิน

บทที่ 4 แนวทางการแผนแบบเครื่องบิน

65

สมรรถนะสวนใหญจะตองการคุณสมบัติของเครื่องบินที่สอดคลองกัน ดังนี้คือ ตองการมากเหมือนกัน และตองการนอยเหมือนกัน เชน น้ําหนักเบา ปกมีพนื้ ที่ มาก คาของ น้ําหนัก ตอ พื้นที่ปก เรียกวา “ภาระของปก” (Wing loading = W/S เมื่อ W คือน้ําหนักและ S คือพื้นที่ฉายปก) ควรเรียกทับศัพทวา “วิงโหลดดิ้ง” หรือเขียนยอๆ วา W/S เปนคาที่ทําใหเรารูวา ปกรับน้ําหนักเทาไรตอหนึ่งหนวยพื้นที่ มีหนวยเปน ปอนดตอตารางฟุต ( lbf ft ) หรือ นิวตันตอตารางเมตร ( N m ) ตัวอยางเชน เครื่องบิน A มีน้ําหนักรวม 3,000 ปอนด พื้นที่ปก 200 ตรารางฟุต มีคา วิงโหลด ดิ้ง เทากับ 2

2

W S

3,000lbf  15 lbf ft 2 200 ft 2

เครื่องบิน B มีน้ําหนักรวม 10,000 ปอนด พื้นที่ปก 667 ตรารางฟุต มีคา วิง โหลดดิ้ง เทากับ W S

10,000lbf  15 lbf ft 2 2 667 ft

เครื่องบินทั้งสองลํานี้ มีสมรรถนะในการ บินขึ้นและลงเหมือนกัน และในสมรรถนะดาน อื่นก็ใกล เคียงกัน เพราะวาสมรรถนะดังกลาวไมไดขึ้นอยูกับน้ําหนักโดยตรง แตขึ้นอยู กับ อัตราสวนของ น้ําหนัก ตอ พื้นที่ปก อัตราสวนของ คุณสมบัติที่นา สนใจ อีกอยาง คือ กําลังขับตอน้ําหนัก (Power to weight นิยมเขียนดังนี้ P/W) กําลังขับสูงเปนสิง่ ที่ดี กับสมรรถนะทุกแบบ และน้ําหนักทีน่ อยก็เปนสิง่ ที่ดีเชนกัน เชนเดียวกับคา วิงโหลดดิ้ง คาของกําลังขับ ตอ หนึ่งหนวยน้ําหนัก จึงมีความหมายเปนอยางมาก ในเรื่องของ สมรรถนะ บางครั้งเรียกทับศัพทวา “พาวเวอรโหลดดิ้ง (Power loading)” มาถึงตอนนี้ จะเริ่มเห็นแลววา น้ําหนักบรรทุก ความเร็ว อัตราไต การบินขึ้นลง สมรรถนะเหลานี้ตองการ คา P/W สูง สมรรถนะในการ บินขึ้น-ลง ตองการ คา W/S ต่ํา แตสําหรับเครื่องบินทีก่ ําหนดใหบนิ ดวยความเร็วสูง ตองการ คา W/S สูง ตอไปนี้ เราจะไดเห็นวา เราจะเลือก ใชคาเหลานี้อยางไรในการแผนแบบเครื่องบิน ความรูโดยทั่วไปในเรื่องการแผนแบบเครื่องบิน มีความซับซอน และเกี่ยวของกัน และกันในเรื่องของสมรรถนะดังที่เราไดทราบแลว ความตองการและขอบเขตในการ

66

บทที่ 4 แนวทางการแผนแบบเครื่องบิน

แผนแบบ มีความแตกตางกัน เพื่อใหอยูในขอบเขตของหนังสือเลมนี้ การพิจารณาจึง ตองจํากัดอยูที่ เครื่องบินขนาดเบา ใชกําลังขับจากใบพัด สวนประกอบตางๆ ที่ใชกบั เครื่องบินประเภทนี้ การพิจารณาเปนการดูถึงประโยชน ทีจ่ ะเกิดขึ้นกับเครื่องบินโดย หลักพื้นฐาน

4.6 การแผนแบบลําตัว (Fuselage Design) ถาใครเคยสรางเครื่องบินจําลองขนาดเล็ก มากอน ตองเริ่มตนที่ลําตัวเปนอันดับ แรก เพื่อไวสําหรับวางสิง่ ของตางๆ เชน เครื่องรับวิทยุ แบตเตอรี่ ฯ หลังจากนั้นจึงเปน ปก ซึง่ ตองหิว้ ลําตัวใหลอยขึ้นไปในอากาศ ตามมาดวย แพนหางดิ่งและแพนหางระดับ เพื่อใชในการควบคุมทิศทาง ซึ่งเปนขั้นตอน ปกติของนักสรางเครื่องบินเล็ก นักแผนแบบเครื่องบินจริง ก็เริ่มตนเหมือนกันกับนักสรางเครือ่ งบินเล็ก อาจจะ ดวยสัญชาติญาณที่เปนแรงจูงใจคือ เริ่มตนที่ลําตัวเปนอันดับแรก มีเหตุผลทางเทคนิค ประกอบหลายอยางสนับสนุนวิธีนี้ ภาระหรือหนาที่ของลําตัวคือบรรจุสัมภาระตางๆ ถา เปนผูโ ดยสาร ก็มีตั้งแต หนึ่งคน สอง สี่ หรือ 200 คน รวมถึงสินคา ที่มีนา้ํ หนักมาก ซึง่ จะเปนการบอกถึง น้ําหนักเปลาของเครื่องบินดวย เปนการเริ่มตนภาพของเครื่องบิน อยางมีหลักเกณฑ

รูปที่ 4.1 รูปทรงตนแบบของลําตัวเครื่องบิน ชวยลดแรงตานเหมือนกับรูปหยดน้ํา

บทที่ 4 แนวทางการแผนแบบเครื่องบิน

67

แนวโนมของนักแผนแบบ มักจะเอนเอียงไปทางรูปรางของลําตัวเครื่องบิน ที่ลด แรงตาน รูปรางดังกลาว จะตองใหแรงตานต่ําในยานซับโซนิก(ความเร็วต่ํากวาเสียง) ดัง ในรูปที่ 4.1 คือรูปหยดน้ําภาคตัดขวางเปนรูปวงกลม ซึ่งเหมาะกับลําตัว มีคาอัตราสวน ระหวาง ความยาว L ตอ เสนผาศูนยกลางที่โตที่สุด ในภาคตัดขวางนั้น D คือ L/D = 3 คาอัตราสวนนี้เรียกวา “ฟายเนสเรโช (Fineness ratio)” จากการทดสอบคาแรง ตานที่เกิดขึน้ กับรูปทรงนี้ จะชวยลดแรงตานไดเปนอยางมากถา คา L/D มากกวา 3 แต แรงตานจะเพิ่มขึ้นมากถา คา L/D นอยกวา 3 เพื่อใหไดรูปรางที่เหมาะสม เชน เครื่องบินขนาดเบาสี่ที่นงั่ ความยาวลําตัว ประมาณ 24 ฟุต ควรมีเสนผาศูนยกลางภาคตัดขวางของลําตัว ประมาณ



24  8 ฟุต 3

หรือถาเปนเครื่องบินที่ใหญขึ้นมาหนอย เปนแบบสองเครื่องยนต ความยาวลําตัว 36 ฟุต ควรมีเสนผาศูนยกลาง 12 ฟุต จะเห็นวา ขนาดดังกลาวโตเกินพอ คือมีปริมาตรมาก เกินความจําเปน ปริมาตรในหองโดยสารที่มากเกินความจําเปน สงผลใหพื้นผิวของ ลําตัวที่สัมผัสกับอากาศ ทีเ่ รียกวา “พื้นที่เปยก (Wetted area)” เปรียบเหมือนกับการ นําเอาไปจุมน้ํา คือพื้นที่สวนทีเ่ ปยกน้ํา สําหรับเครื่องบินคือ พื้นทีผ่ ิวที่ตองสัมผัสกับ อากาศ ทําใหคาแรงตานเสียดทาน (Skin friction drag)มีมากขึ้น นัน่ คือผลรวมของแรง ตานพาราไซท สูงขึ้น( แรงตานพาราไซท คือแรงตานความดัน รวมกับ แรงตานเสียด ทานระหวางผิวเครื่องบินกับอากาศที่ไหลผาน) ดังนั้นจึงควรลดปริมาตรในหองโดยสาร ลง ใหเหลือเทาที่จําเปน จะชวยลดแรงตานได ในทางปฏิบตั ิ การแผนแบบลําตัว นั้นยึดถือรูปทรงพื้นฐานรูปหยดน้ําเปนหลัก ขนาดของลําตัวจะยึดเอาจํานวนผูโดยสารเปนหลัก และภาคตัดขวาง เปนรูปวงกลม ดัง ในรูปที่ 4.2 A หรือใกลเคียงกับวงกลม เปนผลดีตอ การแผนแบบโครงสราง (ความ แข็งแรง และการสราง) และการจัดวางเกาอี้โดยสารดังในรูปที่ 4.2 B พื้นที่วางใตที่นั่ง ใชเปนทีเ่ ก็บกระเปาและสัมภาระอื่นๆไดอีกดวย แตสําหรับเครื่องบินขนาดเบาที่บรรทุก ผูโดยสาร 4 คน ไมจําเปนตองใชพื้นที่ดังกลาว จึงมีภาคตัดขวางของหองโดยสารเปน อยางในรูปที่ 4.2 C ซึ่งตองวางตําแหนงของปกอยูลาง แตถาวางตําแหนงปกอยูบน รูปรางก็จะกลับกับรูปนี้

68

บทที่ 4 แนวทางการแผนแบบเครื่องบิน

รูปที่ 4.2 ตัวอยางการแผนแบบลําตัวเครื่องบิน (Fuselage) ยังมีปจจัยอีกมาก ที่ตองนํามาพิจารณา ในการแผนแบบลําตัวที่ตองมองภาพ รวม ของการวางตําแหนง สวนทายสุดตองมีชุดแพนหาง ตําแหนงของชุดแพนหางมายัง จุดCG เพื่อสงผลในเรื่องของสมรรถนะ ถาแพนหางมีขนาดใหญ แรงตานจะสูงขึ้นตาม สําหรับเครื่องบินหนึ่งเครื่องยนต ตองติดตั้งเครื่องยนตไวสวนหนาสุดของลําตัว ตอง คํานึงถึงบริเวณที่ตองวางเครื่องยนตนี้ดวย ใหมีขนาดเหมาะสมเพียงพอกับเครื่องยนตที่ นํามาติดตั้ง ก็คงตองผูกพันไปถึงเรือ่ งของตําแหนง จุดCG ดวย เพราะน้ําหนักและ ตําแหนงของเครื่องยนต ที่วาง อยางไรเสียการแผนแบบลําตัว ก็ตองยึดหลักที่วาทําใหมี ขนาดเล็กพอดีกับการวางอุปกรณตางๆ ไมควรใหมีบริเวณสูญเปลา เพือ่ ใหไดคาพื้นที่ เปยกนอยทีส่ ุด เปนการลดแรงตานที่พื้นผิวเนื่องจากแรงเสียดทานของอากาศ(Skin friction drag) เพราะวาการแผนแบบลําตัว ตองเริ่มตนที่อุปกรณ และผูโดยสารที่อยูในลําตัว เชน การจัดวางเกาอี้ สมมุติวาเปนเครื่องบินขนาดเล็กสองทีน่ ั่ง การวางเกาอี้ อาจวาง เคียงกันหรือ วางตอกันก็ได การวางตอกัน ทําใหพนื้ ที่ภาคตัดขวางของลําตัวลดลง ชวย ลดแรงตาน (พื้นที่ฉายดานหนาเล็กลง Lower frontal projected area) แตผูโดยสารทัง้

บทที่ 4 แนวทางการแผนแบบเครื่องบิน

69

สองไมสะดวกในการพูดคุย หรือติดตอกัน แตถาวางในลักษณะเกาอี้เคียงกันเปน มาตรฐาน สวนใหญจะนิยมทํา เพราะทําใหผูโดยสารไดรับความสะดวกในการติดตอ พูดคุยกันในขณะโดยสาร หรือทําการฝกบิน แมสงผลใหพนื้ ที่ฉายดานหนาโตขึ้น แต ชวยใหผูโดยสารไดรับความสะดวกสบาย พื้นที่ในหองโดยสารควรมีความกวางพอ ไม ควรทําใหคับแคบเกินไป เพียงเพื่อหวังผลทางอากาศพลศาสตรอยางเดียว โดยทั่วไป ถา เปนเครื่องบินเดินทางระยะใกลใชเวลาสั้น ประมาณ 1 ชั่วโมง เกาอี้นงั่ กวางประมาณ 16 – 22 นิ้ว ถาเปนเครื่องบินเดินทางระยะไกลใชเวลาเดินทางหลายชั่วโมง เกาอี้นั่ง กวางประมาณ 28 – 43 นิ้ว หองโดยสารสูงประมาณ 4 ฟุต หรือประมาณ 5 ฟุต เพื่อให ผูโดยสารสามารถลุกเดินไปยังเกาอี้ตัวอื่นได ในขณะบินเดินทาง และตองคํานึงถึง ชองทางเดินดวย นอกจากความสูง

4.7 การแผนแบบปก (Wing design) ในขณะที่ลําตัวเครื่องบินเปนสวนที่เกีย่ วของกับผูโดยสารและสัมภาระ ปกของ เครื่องบินมีความสําคัญในสวนทีเ่ กี่ยวของกับคุณสมบัติทางอากาศพลศาสตรของ เครื่องบิน เปรียบไดกับหัวใจของเครื่องบิน คุณสมบัติทางอากาศพลศาสตรโดยรวมของ เครื่องบินสวนใหญอยูที่ ผูแผนแบบจะกําหนดใหปก ของเครือ่ งบินเปนอยางไร รูปรางพื้นฐานของปก (Basic wing configuration) ในขั้นตอนของ แนวความคิดในการแผนแบบ ผูแ ผนแบบมีความคิดเบื้องตนใน เรื่องของปกไวแลว อาจจะเปน ปกอยูบ น (high-wing) ปกอยูล าง (low-wing) หรืออยู ตรงกลาง ปกอยูบนมีผลดีกวา ปกอยูลาง เพราะอากาศที่ไหลสวนบนของปกไมไดรับ ผลกระทบจากลําตัวเครื่องบิน อยางเชนปกอยูล าง ลําตัวสงผลตอการไหลของอากาศที่ ผิวดานบนของปก จึงมีผลในเรื่องของ คา อัตราสวนแรงยก ตอ แรงตาน L/D(Lift-todrag ratio) ปกอยูลาง จึงทําใหลาํ ตัวเขามามีสวนตอการไหลของอากาศดานบนของ ปก เชน แรงตานที่เกิดจากการรบกวนบริเวณ สวนของลําตัวที่ตอกับปก(Interference drag) ดังนั้นการ ฟลเล็ต (Fillet) หรือการปรับ ความโคงมนของมุมรอง สวนที่หักมุม ให มน กลมกลืนกันทุกสวน ที่มีการตอเชื่อมเขาดวยกัน อาจตองใช แฟริ่ง(Fairing) นํามา

70

บทที่ 4 แนวทางการแผนแบบเครื่องบิน

ครอบ หรือ คลุมอยางแนบเนียน ใหการไหลของอากาศลดการถูกรบกวนลง เทาที่จะทํา ได อยางเชนในรูปที่ 4.3 เปนลักษณะการเชื่อมตอ ระหวางปกอยูลาง กับ ลําตัวของ เครื่องบิน โดยใชการ ฟลเล็ต ลดมุมแหลมลง ของเครื่องบิน มูนี (Mooney)

รูปที่ 4.3 การฟลเล็ต (Fillet) หรือเติมเต็ม ในสวนที่เปนมุมแหลม ชวยลดแรงตาน

บทที่ 4 แนวทางการแผนแบบเครื่องบิน

71

รูปที่ 4.4 การฟลเล็ต (fillet) สวนตอระหวาง ลําตัว กับ ปกของเครื่องบินมูนี (Mooney) เปนการลดแรงตาน เครื่องบินที่มปี กอยูบน ชวยทําใหมีเสถียรภาพในการโรล โดยไมจําเปนตองทํา ใหปกมีมุมยก (Dihedral) หรือมีก็เพียงเล็กนอย และยังชวยทําให คา L/D สูงขึ้นดวย สวนของ ปกอยูลางชวยในเรื่องของ ผลกระทบเมือ่ บินใกลพื้น (Ground effect) ทําให ระยะทางบินขึ้นสั้นลงจากแรงยกที่มากกวาเมื่อปกอยูใกลพื้น (เนื่องจากวอเทกปลายป กลดลง) เมื่อตําแหนงของปกทั้งสองแบบมีทั้งขอดี และขอดอย นักแผนแบบอาจเลือกใช ตําแหนงของปกอยูกลางลําตัวก็ได คุณสมบัติที่ได ก็เปนการผสมผสานกันทั้งสองแบบ โดยอยูตรงกลางระหวางอยูบน กับอยูลาง ตําแหนงของปก ที่ไดกลาวไปเปนการพิจารณาถึงผลในทางอากาศพลศาสตร ในเรื่องของโครงสราง ความสะดวกในการสรางและความแข็งแรง ปกอยูล างมีผลดีคอื งายตอการติดตั้งฐานลอ(Landing gear) ไมจําเปนตองทําชิน้ สวนเพิ่มขึน้ มากอีกมาก ชวยทําใหน้ําหนักไมมาก ซึ่งสงผลในเรื่องอากาศพลศาสตรอยูดี ถือเปนการชดเชยใน สวนที่ดอยกวา เพราะวาปกเปนสวนที่ใชเก็บน้ํามันเชือ้ เพลิง ปกอยูลางจึงใหความสะดวกในการ เติมเชื้อเพลิง ตรวจสอบ แตในกรณีฉุกเฉิน เครื่องบิน บินลงกระแทกพื้นสวนของปก

72

บทที่ 4 แนวทางการแผนแบบเครื่องบิน

ไดรับความเสียหายกอน ในทางกลับกันการที่ปก กระแทกพืน้ กอน ก็ถอื ไดวาเปนการ ปองกันการกระแทกของหองโดยสารนับวาเปนการลดความรุนแรงลงไดในกรณีนี้ เมื่อ เทียบกับปกอยูบน แตไมรับรองเรื่อง ไฟไหมเนื่องจากถังน้ํามันรั่ว เมื่อไดรับแรงกระแทก เครื่องบินปกอยูลางสงผลดีตอ การทําทาทางการบินไดคลองตัวกวา เปนที่ ตองการของนัก บินที่ตอ งการความโลดโผน หรือใชในการรบ สําหรับการบินโชวขอ แนะนําเครื่องบินปกสองชั้น ซึ่งมีแรงตานสูงแตไดรับการยอมรับที่คอนขางติดอันดับใน การบินผาดแผลง เชน สามารถโรล(หมุนหรือกลิ้งดานขาง) ดวยอัตราการโรลที่สงู เนื่องจากกางปกสั้นกวา สงผลดีที่ทําใหโครงสรางแข็งแรงกวา น้ําหนักของโครงสรางปก นอยกวา คุณสมบัติตางๆ ลวนแลวแตชวยทําใหการบินผาดแผลง ไดดี ซึ่งที่กลาวมานี้ เปนขอดีของเครื่องบินปกสองชั้น ยกเวนความเร็วในการบินซึ่งไมดี(แรงตานสูง) เพื่อชวยในการตัดสินใจ จึงไดสรุปคุณสมบัติ ของเครื่องบิน ปกอยูบน กับปกอยู ลางไวดังนี้ ปกอยูบน ทําใหคา L/D สูงกวา ทําใหเสถียรภาพ ในการโรลดีกวา ทําใหระยะทางบินลงสั้นกวา ปองกันไฟไหมเนื่องจากปกหัก เมื่อ ลงฉุกเฉิน

ปกอยูลาง ทําใหการติดตั้งฐานลอทําไดดีกวา ทําใหการโรล คลองตัวกวา ทําใหงายตอการเติมน้ํามันเชื้อเพลิง ทําใหระยะทางบินขึ้นสั้นกวา ชวยปองกันหองโดยสาร เมื่อลงฉุกเฉิน

นอกจากที่กลาวมาแลว ยังมีสิ่งทีท่ ําใหเครื่องบินปกอยูบน เปนที่ตองการของ นักบิน และผูโดยสารคือ ในขณะบิน การมองลงมาชมทัศนียภาพบนพื้น ดีกวา เหมาะ กับการถายภาพบนพื้น แตเครื่องบินปกอยูลาง คนสวนใหญมองวามีความสวยงามกวา โดยไมไดคํานึงถึงเรื่องคุณสมบัติทางอากาศพลศาสตร ผูท ี่สนใจในกีฬาดานการบิน มักจะเลือก เครื่องบินปกอยูลางเพราะดูแลวเทกวา

บทที่ 4 แนวทางการแผนแบบเครื่องบิน

73

ทางเลือกอื่นๆสําหรับผูแ ผนแบบ ตองมองในเรื่องของโครงสรางปกที่ตอ งยึดเขา กับลําตัว ดวยชิ้นสวน ที่ประกอบขึน้ มาเปนโครงสรางใหสามารถรับแรงได มีลักษณะ แบบเดียวกับคานยื่น(Cantilever beam) ในยุคแตกอนเครื่องบินมักใช คาน (Strutbraced) ค้ําปกเพื่อชวยในการรับแรง มองเห็นไดจากภายนอก ในยุคนี้ การพัฒนาวัสดุ ทําไดแข็งแรงขึ้น น้ําหนักเบาลง คือความแข็งแรงเมื่อเทียบกับน้ําหนัก สูงขึน้ จึงสามารถ ทําโครงสรางที่แข็งแรงพอโดยไมตองใชคานค้ําอยางเชนแตกอนได เปนการชวยลดแรง ตาน ทีเ่ กิดจากคานภายนอกปก ไดอยางมาก แตวิธีดังกลาวตองใชโครงสรางที่อยู ภายในปกที่มีจํานวนมากขึ้น เปนการเพิ่มน้ําหนัก เพื่อใหรับแรงไดเทากับการใช คาน อยูภายนอก จึงเปนหนทางเลือกวา จะใชคานชวยรับแรง(แบบสมัยเกา) น้าํ หนักของปก ก็ลดลง แตมแี รงตานอีกนิดหนอยจากคานภายนอก หรือจะไมมีคานแตน้ําหนักปก เพิ่มขึ้น ตัวอยางของเครื่องบินในปจจุบันที่ใชคานภายนอก เชน เซสนา 172 (Cessna 172) ในรูปที่ 8.4 ที่ยังคงใชคานค้ํายัน ชวยรับแรงของโครงสรางปกอยูภายนอก เชนเดียวกับเครื่องบินในยุคกอน

รูปที่ 4.5 เครื่องบิน เซสนา (Cessna 172 Skyhawk) โครงสรางปกใชคานชวยค้ําอยู ภายนอก

74

บทที่ 4 แนวทางการแผนแบบเครื่องบิน

คานค้ํายัน(Struts) ตามปกติใชกับเครื่องบินปกอยูบน มีขอ ดีอยูสองอยางคือ หนึ่ง คานนี้จะรับแรงดึงในขณะบินตามปกติ การรับแรงดึงไมตองใชโครงสรางที่มีขนาด ใหญ (แมใชลวดสลิงก็รบั แรงได) แตถานําคานชวยค้ําโครงสรางปก กับเครื่องบินปกอยู ลาง ในขณะบินตองรับแรงกด ถาคานมีขนาดเล็กเชนเดียวกับคานของปกอยูบน จะทํา ใหคานงอได สอง คานค้ําที่อยูดานลางของปกใหแรงตานนอยกวา คานรับแรงอยู ดานบนของผิวปก(ปกอยูลาง) เพราะอากาศดานบนมีความเร็วสูงยิ่งมีตัวคานเขามา ขวาง จึงทําใหมีแรงตานมากกวาติดอยูที่ผิวดานลาง ดังนัน้ การที่จะใชคานชวยรับแรง ของโครงสรางปกจึงตองคํานึงถึงเรื่องของตําแหนงปกดวย รูปรางฉายของปก (Planform selection) ถึงแมวารูปรางที่แนนอนของปกจะยังไมถูกพิจารณา ในแนวความคิดขั้นพื้นฐาน แตเราจะมาพูดถึงในสวนของรูปรางที่เหมาะสม จากคุณสมบัติของปกที่เราไดทราบ มาแลว รูปรางฉายของปกเหมือนกับรูปปกที่เราเห็นเมื่อมองจากดานบนลงมา ที่กลาว มาแลววาปก ที่เปนรูปวงรี คือปกที่มีความสมบูรณในจินตนาการ มีแรงตานเหนี่ยวนํา นอยที่สุด เมือ่ เทียบกับปกที่มีรูปรางแบบอื่น ที่ใหแรงยกเทากัน ปกรูปวงรีสรางยาก (ทํา ใหเครื่องบินราคาแพงขึ้น) จึงแทนดวยปกรูปเรียวหรือเรียกทับศัพทวา “ปกเทเปอ (Tapered wings)” ดูแลวมีลักษณะใกลเคียงกัน รวมถึงคุณสมบัติทางอากาศ พลศาสตรดวย ถึงแมวาปกที่ทําไดงายคือ ปกสี่เหลี่ยม(ทําใหเครื่องบินราคาถูกลง) ตนทุนในการ ทําปกสี่เหลีย่ มถูกที่สุด เพราะมีรูปรางเหมือนกันทุกหนาตัด จึงใชตนแบบอยางเดียวกัน ตลอดทั้งปกตั้งแตโคนถึงปลาย ปญหาของปกสี่เหลี่ยมคือมีน้ําหนักตรงปลายมากเกิน จําเปนเพราะแรงยกตรงปลายปกมีนอ ย จึงเปนสวนเกินตรงปลายที่มีขนาดใหญ แตไม เกิดประโยชน การสะตอลที่เกิดบน ปกแบบสีเ่ หลีย่ ม เปนลักษณะที่เราตองการแตเราไมตอง การ ลักษณะการสะตอล ที่เกิดขึน้ กับปกเทเปอร แกไขไดดวยการสรางปกใหบิดคือมุม ปะทะตรงโคนกับปลายไมเทากัน อยางไรก็ตามวิธีนี้ทําใหแรงตานพาราไซท เพิ่มขึ้น ปก เทเปอ ทําใหคา แอสเปกเรโชเพิ่มขึน้ เมื่อเทียบกับปกสี่เหลีย่ ม ที่มีพื้นทีป่ กเทากัน เปน

บทที่ 4 แนวทางการแผนแบบเครื่องบิน

75

การชวยลดแรงตานเหนี่ยวนํา จะเปนการดีถานําเอาทั้งสองแบบมาใชรวมกัน ดังในรูปที่ 4.6 ทําใหเกิดการสะตอลอยางที่ตองการได ลดน้ําหนักของพื้นที่ปกทีไ่ มจําเปน ตรง ปลายปก เพิม่ แอสเปกเรโช การใชรูปรางปกเชนนี้ถกู นําไปใชกับเครื่องบินขนาดเบา เชน เซสนา และไปเปอร หนึ่งเครื่องยนต

รูปที่ 4.6 การนําเอาปกสีเ่ หลี่ยมและเทเปอรมาใชรวมกัน ทําใหไดปกที่มีคุณสมบัติดีขึ้น

4.8 การเลือกเครื่องยนต (Powerplant Selection) เมื่อปกเปนสวนที่ใหแรงยก เครื่องยนตเปนสวนที่ใหแรงขับ ซึ่งสงผลไปยังแรงยก ดวย ทําใหสามารถบินได ดังนั้นการเลือกใชเครื่องยนตที่เหมาะสม จึงถือไดวาเปนการ พิจารณาที่สําคัญของนักแผนแบบเครือ่ งบิน เครื่องยนตที่ใชขับเคลื่อนเครื่องบิน มีหลายแบบใหเลือก ซึ่งไดกลาวไปแลวใน บทที่ 4 แตละแบบนั้นเหมาะกับการใชงานที่ตางกัน สําหรับเครื่องบินขนาดเบา ความเร็วต่ํา นักแผนแบบก็จะพุงเปาไปที่เครื่องยนตลูกสูบ หมุนใบพัด เครื่องยนตลูกสูบ รุนใหม ระบายความรอนดวยอากาศ ลูกสูบนอนยันตรงขาม (แบบเครือ่ งยนตรถโฟลค เตารุนเกา) มีทั้งสองสูบ สี่สูบ หรือหกสูบ ซึ่งการเลือกคอนขางจะจํากัด อัตราสวน กําลังตอน้ําหนัก (Power-to-weight ratio P/W) เปนคุณสมบัติ สําคัญที่ตองนํามาพิจารณา เพราะเครื่องยนตสวนใหญให กําลังใกลเคียงกัน ที่ความจุ ของเครื่องยนตเทากัน ดังนั้นจึงตองดูที่ คา P/W แตเนื่องจากเทคโนโลยี ไดพัฒนาไป มาก เครื่องยนตสวนใหญใหคา P/W ใกลเคียงกัน คือ 0.5 แรงมา/ปอนด คุณสมบัติ ตอมาที่ตองพิจารณาคือ ความสิ้นเปลืองเชื้อเพลิง และแนวของแรงขับตองใกล หรือ

76

บทที่ 4 แนวทางการแผนแบบเครื่องบิน

ผานจุด CG เพื่อตัดปญหาของโมเมนตพิช เมือ่ เพิ่มแรงขับของเครื่องยนตคุณสมบัติ ของใบพัดมีสวนดวยเชนกัน

4.9 ลักษณะของฐานลอ (Landing Gear Configuration) เครื่องบินในอดีต ใชลักษณะของฐานลอแบบลอหาง คือมีสองลอหลักอยู ขางหนา และอีกลออยูทหี่ างของเครื่องบินทําหนาที่เลี้ยว การติดตั้งลอในลักษณะนีเ้ ปน แบบดั้งเดิม ซึ่งลาสมัยไปแลว ในปจจุบันไมมีการแผนแบบใหเครื่องบินมีลอในลักษณะ ดังกลาว ที่ใชกันมานานในอดีตเพราะวางายตอการสราง ลดแรงตาน และใชโครงสรางที่ เบากวา เครื่องบินแบบลอหาง จุด CG อยูดานหลังของสองลอหลัก ซึ่งมักนิยมแผนแบบ ใหสวนที่หนักที่สุดของปกตกลงบนลอหลักทั้งสองนี้ เปนการชวยทําใหงาย ในเรื่องของ โครงสรางฐานลอที่นํามาติดตั้ง

รูปที่ 4.7 เครื่องบินลอหางในขณะบินลง ลอกระแทกพื้น ทําใหเกิดโมเมนตเงย

รูปที่ 4.8 เครื่องบินลอหัว ในขณะบินลง ลอกระแทกพื้น ทําใหเกิดโมเมนตกม

บทที่ 4 แนวทางการแผนแบบเครื่องบิน

77

เครื่องบินลอหาง ทําใหการบินลง ยุงยากกวา รวมทั้งการแท็กซี่ เพื่อเลื่อน เครื่องบินไปยังตําแหนงที่ตองการ ก็เนื่องมาจากจุด CG อยูทางดานหลังของสองลอ หลัก ในขณะบินลงถานักบินทําใหลอ หลักสองลอกระแทกพื้นคอนขางแรง ก็จะเกิดแรง ปฏิกิริยาของพื้น คือโตกลับในทิศทางขึ้น (เหมือนเครื่องบินเดงขึ้นเนือ่ งจากสองลอ หนาที่กระแทกพื้น) ดูรูปที่ 4.7 แรงโตกลับนี้พยายามทําใหเครื่องบินเงยขึน้ ในอากาศ มี แรงยกเพิ่มขึน้ ในขณะพยายามบินลง เปนการลอยกลับขึ้นไปในอากาศอีกครั้ง และอาจ มีการยอ (Yaw) เขามารวมดวย อันเนื่องมาจากแรงเบรกสองลอซาย-ขวาไมเทากัน หรือขณะลงกระแทกพื้นดวยสองลอหลัก และเครื่องบินลอยขึ้นมาพอดีลม กระโชกดานขาง หรืออาจจะเปนลมที่มีความแรงอยูแลวทําใหเครื่องบินหันออกนอก เสนทางได เมื่อลอลงมาแตะพื้นอีกครั้งหนึ่ง นักบินตองพยายามหันดวยลอเพื่อกลับเขา สูเสนทาง แสดงวามีโอกาสเกิดอุบัติเหตุไดงาย ขณะบินลง เพียงเพราะความผิดพลาด เล็กนอยของนักบิน จึงไมนาเปนที่พอใจของนักบิน นอกจาก นั้นทัศนะวิสัยในการมอง ทางวิ่ง ยังถูกบังดวยสวนหัวของเครือ่ งบินอีกดวย

รูปที่ 4.9 เครื่องบิน เซสนา185 สกายแวกอน เปนเครื่องบินรุนใหมที่ ใชชดุ ฐานลอแบบ ลอหาง

78

บทที่ 4 แนวทางการแผนแบบเครื่องบิน

จากขอเสียของเครื่องบินลอหาง จึงไดมีการแผนแบบใหเปนเครื่องบินสามลอ แบบลอหัว คือ สองลอหลังอยูดานหลังของจุด CG หนึ่งลออยูตรงหัว ดูรูปที่ 4.8 เมือ่ มี การบินลงทีค่ อนขางแรง แรงโตกลับของพื้นในทิศทางขึ้นเปนการทําใหเกิดโมเมนตกม เพราะลอคือตําแหนงของแรงกระทําอยูดานหลังจุด CG มุมปะทะของปกเปนลบ แรงยก ลดลง ทําใหเครื่องบินลดระดับแตะพื้นไมลอยกลับขึ้นไปในอากาศอยางเชน เครื่องบิน ลอหาง การที่มีลอหนึ่งลอติดตั้งอยูที่หัวเครื่องบิน ถามีการกระแทกเชนขณะบินลง ตอง รับแรงคอนขางมากและมีตําแหนงตรงหัวของเครื่องบิน จึงสงผลตอแรงตานที่มากขึ้น กวาลอหาง เวนเสียแตวาพับเก็บได สวนอีกสองลอหลักที่อยูดานหลัง จําตองมีโครง สรางเพิ่มขึ้นมาเพื่อใหลออยูในตําแหนงที่เหมาะสม ซึ่งคอนขางยุงยากกวาเนื่องจาก ตําแหนงของจุดยึดในการรับแรง เครื่องบินลอหัวมีผลดีในการมอง หรือทัศนะวิสัยขณะ บินลงและขึน้ ในปจจุบนั จํานวนเครื่องบินในสนามบิน มีมาก ยิ่งจําเปน ดวยความดีของ การติดตั้งลอหัวกับเครื่องบิน ดังนั้นตั้งแตป ค.ศ. 1980 เครื่องบินที่ผลิตออกมาสวนใหญ จะเปนแบบลอหัว มีเพียงสวนนอย เพื่อการใชงานในบางลักษณะเชน ทางดาน การเกษตร เพราะเครื่องบินลอหางใชวิ่งบนทางที่เปนดินหรือหญาไมจําเปนตองเรียบได ดี อยางในรูปที่ 4.9 เปนเครื่องบินเซสนา185 ที่ถูกสรางขึ้นมาใหมีลอหาง ที่ยึดไวดวย แผนโลหะบาง ติดกับลูกลอ เปนแบบดั้งเดิมซึ่งทําไดงายกวาแบบ ลอหัว

4.10 การแผนแบบชุดสวนหาง (Tail Design) ชุดสวนหางของเครื่องบิน ทําหนาที่ในการรักษาเสถียรภาพ และควบคุม เครื่องบิน ขนาดของแพนหางขึ้นอยูก ับ ขนาดความตองการในการรักษาเสถียรภาพมาก นอยเพียงไร และการควบคุมที่ตองการใหเปนไป แพนหางระดับชวยรักษาเสถียรภาพ ตามแนวแกนลําตัว (กม-เงย) และควบคุมใหกม-เงย โมเมนตพิช (Pitching moment) ดวย อิลิเวเตอร (Elevator) สวนแพนหางดิ่งชวยรักษาเสถียรภาพในแนวทิศทางการบิน คือ หันซาย-ขวา และควบคุมการหันซายขวาหรือการยอ (Yaw) ดวย รัดเดอร (Rudder) อยางที่ไดกลาวไปแลวในบทที่ 3

บทที่ 4 แนวทางการแผนแบบเครื่องบิน

79

ขนาดของแรงกระทําทางอากาศพลศาสตร แปรตามขนาดของพื้นที่แพนหาง ความมีเสถียรภาพหาจาก โมเมนตทเี่ กิดขึ้นรอบจุดCG ซึ่งคาโมเมนตนี้ขึ้นอยูกับ ขนาด ของแรง กระทําที่แพนหาง (ซึ่งแปรตามพื้นที่) คูณดวย ระยะจากจุดCG ไปตั้งฉากกับ แนวแรงนั้น ลักษณะของชุดแพนหาง (Tail configuration) ชุดแพนหางสวนใหญที่เห็น ประกอบดวยแพนหางดิ่งที่วางอยูบนแพนหางระดับ ดังในรูปที่ 4.10 ถาแพนหางดิ่งที่ขนาดใหญมาก การใชรัดเดอรเพื่อหันหรือ ยอ จะมีผล ตอโมเมนตโรล (เอียงซาย-ขวา) เพราะตําแหนงที่แรงกระทําอยูสูงกวาจุด CG จึงมีแขน ของโมเมนตในลักษณะโรล

รูปที่ 4.10 แพนหางดิ่ง (Vertical tail) ของเครื่องบิน เซสนา310 ปรากฏการณนี้แกไดดวยการทําใหแพนหางดิ่งติดตั้งต่ําลง และมีสองแพนดังใน รูปที่ 4.11 เปนของเครื่องบิน เออคุป (Ercoupe) ซึ่งพื้นทีท่ ั้งสองแพน รวมกันแลวเทากับ แพนใหญ หนึ่งอัน ยังคงทําใหมีเสถียรภาพ ดานขางเทากับแพนขนาดใหญหนึ่งอัน แต

80

บทที่ 4 แนวทางการแผนแบบเครื่องบิน

จะทําใหเกิดแรงตานเนื่องจากการรบกวนเพิ่มขึ้นเล็กนอย เนือ่ งจากการนําแพนเล็กสอง อันมาเชื่อมเขากับแพนหางระดับ มีจาํ นวนมุม (ระหวางผนัง) เกิดเพิ่มขึ้นมา แตผลจาก การนําเอาแพนหางดิ่งมาตอที่ปลายแพนหางระดับ ทําใหการใชแพนหางระดับ มี ประสิทธิภาพมากขึ้น

รูปที่ 4.11 แพนหางดิ่งคู (Twin vertical fin) ของเครื่องบิน เออคุป (Ercoupe) แพนหางดิ่งในรูปที่ 4.10 มีลักษณะลูไปขางหลังอันทีจ่ ริงแลวไมจําเปน ถา เครื่องบิน มีความ เร็วต่ํา (จะมีผลตอเมื่อเครื่องบินบินในยานความสูงเขาใกลความเร็ว เสียง) และยังจะทําใหมีแรงตานเพิ่มขึ้นอีกเล็กนอยดวยซ้ํา แตใหผลทีช่ วยทําใหดูดีลูลม สวยงามกวาแพนหางดิ่งตั้งตรง จาก ความตองการของลูกคาสวนใหญจงึ เห็นเครื่องบิน ความเร็วต่ํา ที่ถูกทําออกมาขายมีแพนหางดิ่งเอนไปขางหลังเพราะคนสวนใหญยังพึง พอใจกับความสวยงาม อาจจะมากกวาประสิทธิภาพดวยซ้ําไป การพิจารณาในเรื่องของแพนหางดิ่ง ที่อยูในสภาวะ สปน (Spin) คือการที่ เครื่องบินลดระดับลงอยางรวดเร็ว และมีการหมุนควงลงแนวการเคลื่อนที่เหมือนขด สปริง ทําใหกระแสอากาศอิสระที่สัมพัทธกับเครื่องบินมีทิศทางขึ้น เฉียงไปทางดานหลัง

บทที่ 4 แนวทางการแผนแบบเครื่องบิน

81

เปรียบไดกับเครื่องบินเปดมุมปะทะสูงมากเกินกวาคามุมปะทะสะตอล มีลักษณะของ อากาศไหลขึน้ ดังในรูปที่ 4.12 ในกรณีนี้ แพนหางดิ่งไมสามารถใชงานในการควบคุมได ตามปกติ ดวยวาถูกบังโดยแพนหางระดับ จากอากาศที่ไหลเขามาตามปกติ เมื่อไมมี ความเร็วของกระแสอากาศไหลผานแพนหางดิ่งจึงไมมีแรงทางอากาศพลศาสตรในการ ควบคุม จะเห็นวาแพนหางดิ่งที่ลูหลังมีสวนทําให ปรากฏการณนี้ครอบคลุม แพนหาง ดิ่งไดมากขึ้น เพื่อเปนการแกปญหานี้ ดวยการยายแพนหางระดับที่บังอากาศนี้ไปไว ดานบนของแพนหางดิ่ง หรือขยายแพนหางดิ่งใหต่ําลงมา กวาแพนหางระดับ การ แกปญหาดวยวิธีนี้ทําให ยุงยากในเรื่องของโครงสราง และการควบคุม มากขึ้น

รูปที่ 4.12 แพนหางดิ่งถูกบังจากการกระแสอากาศ ไมสามารถใชงานไดตามปกติ เนื่องจากการ สปน (Spin)

82

บทที่ 4 แนวทางการแผนแบบเครื่องบิน

แพนหางรูปตัวที และแพนหางรูปตัววี (T and V-tail) อีกหนทางหนึ่งในการแผนแบบ ชุดแพนหางที่ชวยแกปญหาเรื่อง กระแสอากาศ ที่ถูกบังโดยแพนหางระดับเนื่องจากการ สปน (Spin recovery) คือการเลื่อนแพนหาง ระดับจากตําแหนงที่อยูข าง ลางไปไวบนแพนหางดิ่ง ถามองดูจะเห็นเปนรูปตัวที จึง เรียกวา “แพนหางตัวที (T-tail)” แพนหางดิ่งก็จะไมถูกแพนหางระดับ บังการไหลของ กระแสอากาศผานแพนหางดิ่งจากการสปน อีกตอไปในรูปที่ 4.13 เปนเครื่องบินที่ใช แพนหางตัวที แพนหางแบบนี้เปนทีน่ ิยมกันมากในชวงกอน ป ค.ศ.1980 ซึ่งเปนผลมา จากการวิจัยในเรื่อง การบังกระอากาศเนื่องจากการสปน

รูปที่ 4.13 การติดตั้งแพนหางระดับอยูบนแพนหางดิ่ง เรียกวา แพนหางตัวที (T-tail) ในป ค.ศ.1970 จึงไดมีความคิด เลื่อนตําแหนงของแพนหางดิ่งมาอยูดานบน แทน นอกจากแกปญหาดังกลาวแลวยังชวยตัดปญหาในเรื่อง ของวอเทก ปลายปกที่ทาํ ใหเกิด ดาวนวอช สงผลกระทบมายังแพนหางดิ่ง ดังในรูปที่ 4.14 A (เพราะแพนหาง

บทที่ 4 แนวทางการแผนแบบเครื่องบิน

83

ระดับไดถูกยาย เพื่อหลบกระแสดาวนวอชนี้ ขึ้นไปอยูดาน บนของแพนหางดิ่ง) ทําให การทํางานของแพนหางดิ่งมีประสิทธิภาพมากขึ้น แตในกรณีที่ปกเครื่องบิน เปดมุม ปะทะสูงจนกระทั่งสะตอลหรือเกือบสะตอล ดูรูปที่ 4.14 B อากาศที่ไหลผานปกและเกิด เวก(การไหลวกกลับ) สงผลไปยังแพนหางระดับที่ติดอยูดานบนของแพนหางดิ่งได เมื่อ เหตุการณนี้เกิดขึ้นทําใหสูญเสียการควบคุมเครื่องบินดวยแพนหางดิ่ง อยางทันที ผลที่ ตามมา คือ เครื่องบินจะกมลง ถือวาเปนการสะตอลที่รุนแรง บางครั้งเรียกวา “การ สะตอลรุนแรง (Deep stall)”

รูปที่ 4.14 ชุดแพนหางตัวที (T-tail) A เปนการหลีกเลี่ยงกระแสอากาศไหลลงหรือวอ เทก และ B ในกรณีที่มีการสะตอลทีม่ ุมปะทะสูง กระแสเวก (Wake) ไหลผานแพนหางระดับ ขอดอยของแพนหางตัวทีไดแกน้ําหนักที่เพิ่มขึ้น เนื่องจากตองปรับปรุงโครงสราง ใหแข็งแรงขึน้ รวมทั้งระบบบังคับควบคุมชุด อิลเิ วเตอรดวย ยุงยากขึ้น ขัน้ ตอนในการ สรางมีมากขึ้น แตชุดแพนหางตัวที มีสวนชวยเสริมประสิทธิภาพของ แพนหางดิ่งใหดี ขึ้น เนื่องจากมีแพนหางระดับมาติดอยูตรงปลาย เปนการควบคุมการไหลของอากาศ

84

บทที่ 4 แนวทางการแผนแบบเครื่องบิน

ผานแผนแพนหางดิ่งไดดีกวา คลายๆกับแพนหางดิ่งคู ที่ติดตรงปลายแพนหางระดับ ใน รูปที่ 4.11 จากรูปทรงของแพนหางตัวที มีผลตอความรูสึกของผูท ี่เห็นเครื่องบิน (เชนเดียวกับ การทําแพนหางดิ่งลูไปขางหลัง) วามีความทันสมัย ดูสวยงามกวา นาเชื่อถือ ซึง่ ตางจากความเห็นของวิศวกร หรือบริษัทผูผ ลิตทีพ่ บวา ชุดแพนหางแบบนี้ มีขอเสียมากกวาขอดี วิทเนส ไปเปอร (Witness Piper) นักสรางเครื่องบิน ไดยุติการ สรางเครื่องบินที่มีชุดแพนหางตัวที และกลับมาใชชุดแพนหางแบบเดิม ที่ติดแพนหาง ระดับอยูดานลาง กับเครื่องบินรุนใหมชื่อ “ซาราโตกา (Saratoga)” หกทีน่ ั่ง แผนแบบ โดย เชอรโรกี (Cherokee design)

รูปที่ 4.15 พื้นที่ฉายบนระนาบดิ่ง และระนาบระดับ ของแพนหางแบบวี (V-tail) แพนหางที่ไดถูกสรางขึ้นมา ยังมีรูปแบบอื่นอีก เพื่อเปนทางเลือกในการกําจัด ปญหาของแพนหางรูปแบบ ดั้งเดิม และเพื่อใหมีประสิทธิภาพมากขึ้น คือ ชุดแพนหาง ตัววี (V-tail) เมื่อมองเขาดานหลังจะเห็นเปนรูปตัว วี V แทนทีจ่ ะมีแพนหางดิ่ง และแพน

บทที่ 4 แนวทางการแผนแบบเครื่องบิน

85

หางระดับ แตเปนการใชแพนอากาศ คูนั้น เอียงทํามุมกับแนวระดับ มีความสมดุลใน แนวดิ่ง จึงใหผลเหมือนกับมีแพนหางดิ่งและแพนหางระดับ เปรียบเทียบไดกับ พืน้ ที่ ฉายของแพนหางตัววี ไปบนระนาบระดับ กับระนาบดิ่ง พื้นที่บนระนาบระดับ เทียบเทา หรือใหผลเชนเดียวกับพืน้ ที่แพนหางระดับที่ มีพื้นที่เทากัน สวนพืน้ ที่ ที่ฉายไปบน ระนาบดิ่งคูณ 2 (พื้นที่ฉายนัน้ เปนเพียงหนึง่ แพนจึงตองคูณสองเพราะมีสองแพน) เทียบเทา หรือ มีผลเชนเดียวกับใชแพนหางดิ่งทีม่ ีพื้นที่เทากัน ดังในรูปที่ 4.15 ขอดีของแพนหางตัววี คือลดแรงตานไดเล็กนอย ซอกหรือมุมระหวางแพน อากาศลดลง(เปนลดแรงตานรบกวน) เครื่องบินที่ใชชุด แพนหางตัววี และประสบ ความสําเร็จ ทําใหมีชื่อเสียง คือ บีชโบนันซา (Beach Bonanza) ในรูปที่ 4.16 จากการ บุกเบิกลักษณะของชุดแพนหางรูปแบบใหม สําหรับเครื่องบินขนาดเบา ในขณะนั้นเปน ป ค.ศ. 1947 สมรรถนะในการควบคุม และเสถียรภาพเนื่องจากชุดแพนหางอยูในขั้นดี แรงตานโดยรวมลดลงเล็กนอย เมื่อเทียบกับเครือ่ ง บีชโบนันซา แบบ 33 ที่มีเครื่องยนต และสวนอื่นๆเหมือนกันหมด ยกเวนใชชุดแพนหางแบบดั้งเดิม คือมีแพนดิ่ง และระดับ พบวามีสมรรถนะและการควบคุม เหมือนกัน

รูปที่ 4.16 เครื่องบิน บีชโบนันซา (Beach Bonanza) เมื่อป ค.ศ.1947 ใชชุดแพนหางตัววี

86

บทที่ 4 แนวทางการแผนแบบเครื่องบิน

การลดลงของแรงตานกับการติดตั้งชุดแพนหางตัววี ก็เนื่องมาจากจํานวนมุม ที่ อากาศตองไหลผานลดลง (เปนการลดแรงตานรบกวน Interference drag) แตพื้นทีผ่ ิว ยังคงเทากับชุดแพนหางแบบดั้งเดิมที่มีทั้งแพนหางดิ่งและระดับ เพื่อคงประสิทธิภาพ ของสมรรถนะ และการควบคุมใหไดเทาเดิม นั่นคือคาแรงตานเสียดทานยังคงเทาเดิม การติดตั้งชุดแพนหางตัววีนั้น มีความยุงยากในเรื่องการทําระบบควบคุม โมเมนตพิช และโมเมนตยอ ดวยชุดบังคับอยางเชน ชุดแพนหางแบบดั้งเดิม คือนักบิน ยังคงใชวิธีควบคุมแบบปกติตามเดิมแมมีการใชชุดแพนตัววี สิ่งหนึ่งที่ตามมาของ เครื่องบินที่ใชชุดแพนหางตัววี คือ มีแนวโนมในการเกิด ดัชโรล (Dutch roll คือกลิ้งหรือ เอียงดานขางไปมา)ไดสูงขึ้น เมื่อเทียบกับแบบดัง้ เดิม (ซึ่งเปนสิ่งที่ไมตองการ) ชุดแพน หางทั้งแบบ ตัวที และตัววี กลับกลายมาเปนที่นิยมกัน ในหมูนักเลนเครื่องรอน เพื่อ ประโยชนในเรื่องการปองกันความเสียหายที่อาจจะเกิดขึ้นกับ ชุดแพนหางในขณะรอน ลงและเอียง โอกาสที่แพนหางจะขูดพื้นจึงนอยลง โดยเฉพาะพื้นผิวหรือสถานที่รอนลง ไมใชสนามบิน ทั้งชุดแพนหางแบบ ตัวทีและตัววี มีขอดีเหมือนกันคือ ตัดปญหาเรื่อง แพนหางดิ่งบัง การไหลของอากาศในขณะที่เครือ่ งบินกําลังสปน (Spin recovery) ทํา ใหสูญเสียการควบคุม จากแพนหางดิ่ง

4.11 การประมาณคาเบื้องตน (First Estimation) เมื่อพิจารณาดูกันแลวในเรื่องการแผนแบบเครื่องบิน ทําใหรูสึกวาคอนขางจะหา จุดเริ่มตนไดยาก เพราะมีหลายอยางที่เปนสวนสําคัญในการแผนแบบ แตก็ยังไมรูใน ตอนตน ยกตัวอยางเชน ตองการหาน้ําหนักทั้งหมดของเครื่องบิน แนนอนตองรูขนาด เครื่องยนตเพื่อจะไดรูน้ําหนัก ความตองการเชื้อเพลิง กอนทีจ่ ะรูวาตองการเครื่องยนต ขนาดไหน ก็ควรจะตองรูคาแรงตาน ซึ่งก็ขึ้นอยูก ับน้ําหนักของเครื่องบินทั้งหมด ก็ตอ ง ยอนไปหาวาแลวน้ําหนักควรเปนเทาไร ดูเหมือนกับวาไมรูจะเริ่มตนตรงไหนดี เพื่อเปนการหาวิธีที่ชวยทําใหการ แผนแบบงายขึ้น กับการที่ไมรูวาจะเริ่มตน ตรงไหนกันแน ดวยวิธีการประมาณคาเบื้องตนคราวๆไปกอน กับปจจัยหลักที่เกี่ยวของ ดวยการเดาอยางมีเหตุผลและหลักการ จะทําใหเครื่องบินที่เราตองการ มีความชัดเจน

บทที่ 4 แนวทางการแผนแบบเครื่องบิน

87

ขึ้นเรื่อยๆ และจะไดรูปแบบที่เหมาะสมในที่สุด วิธกี ารที่นิยมใชเพื่อการแผนแบบ เครื่องบินตามความตองการของผูแผนแบบ ดวยการดูเครื่องบินที่มีใชอยูแลว ซึ่งมีความ ใกลเคียงกับที่เราตองการ เชน ขนาด สมรรถนะ น้ําหนัก และคุณสมบัติอื่นที่เกี่ยวของ เปนการสะดวกกับการแผนแบบโดยใช คุณสมบัติของเครื่องบินที่ทราบ มาเปนการ ประเมินคาเบื้องตน คาที่แนนอนจะยังไมเกิดขึ้นในขั้นตอนนี้ แตคาที่ใกลเคียงจากการ ประมาณอยางมีหลักการ จะถูกพิจารณา โดยเริ่มตนที่ น้ําหนัก (Weight) น้ําหนักทั้งหมดของเครื่องบิน (Gross weight) นาจะเปนจุดเริ่มตน ของ คุณสมบัติที่ใชในการประเมิน มีปจ จัยหลายอยางที่เกี่ยวของกับน้ําหนัก มีเพียงไมกี่ อยางที่ไมสงผลหรือเกี่ยวของกับคุณสมบัตินี้ ในรูปที่ 4.17 แสดงใหเห็นขัน้ ตอนในการ ประเมินเบื้องตน อยางมีเหตุผล แตละขัน้ ในผังขั้นตอนการแผนแบบ (Design procedure) ในแตละหัวขอตองมีการไปพิจารณาหาขอสรุป น้ําหนักรวมทั้งหมดในขณะบินขึ้น เปนผลมาจากน้ําหนักเปลา รวมกับ น้ําหนักของน้ํามันเชื้อเพลิงทั้งหมด(ขณะวิ่งขึ้น) และ น้ําหนักบรรทุก เขียนอยูในรูป สมการไดดังนี้ WG  We  W f  W p

เมื่อ 1. Gross weight 2. Empty weight

WG

3. Fuel weight 4. Payload weight

Wf

We

Wp

= = = =

น้ําหนักทั้งหมดของเครื่องบินขณะบินขึ้น น้ําหนักของเครื่องบินทั้งลํา (ยกเวนสองขอถัดไป) น้ําหนักน้ํามันเชื้อเพลิง (เติมเต็มถัง) น้ําหนักสัมภาระตางๆที่บรรทุก

88

บทที่ 4 แนวทางการแผนแบบเครื่องบิน

รูปที่ 4.17 ผังแสดงขั้นตอนในการแผนแบบ สําหรับเครื่องบินขนสงขนาดเบา ถูกจัดไวในตารางตามน้ําหนักรวม จากนอยไป หามาก น้ําหนักเปลาของเครื่องบินแปรคาตาม น้ําหนักรวม จึงบอก ในรูปของอัตราสวน สําหรับเครื่องบิน ที่มีโครงสรางหรือลําตัวไมไดเปนโลหะทัง้ หมด (Semimonocoque construction) อาจมีไฟเบอรหรือวัสดุชนิดอื่นรวมดวย มีอยูประมาณ 55% ของ เครื่องบินที่มใี ชอยู ตั้งแตเครื่องบินขนาดเล็กสีท่ ี่นั่งไปจนกระทั่ง เครื่องบินเจ็ตขนาดใหญ ถาเราสังเกตดูใหดี เครื่องบินขนาดเบาหนึ่งเครื่องยนต ทีน่ ํามาแสดงใน ตารางที่ 4-1 มี คา น้ําหนักเปลา ตอ น้ําหนักทั้งหมด อยูที่ประมาณ 0.54 – 0.62 มีทั้งหมด 16 แบบ น้ําหนักตั้งแต 2,400 – 4,000 ปอนด ซึ่งมีความเกี่ยวเนื่องกับ น้ําหนักเปลาอยางเปน อัตราสวนกันดวย คือ ยิง่ มีน้ําหนักรวมมากเทาไร ก็มีคาน้ําหนักเปลามากตามขึ้นมาเปน อัตราสวน แสดงในหนาถัดไป

บทที่ 4 แนวทางการแผนแบบเครื่องบิน

89

ตาราง 4-1 ตัวอยาง แสดงคาน้ําหนัก ในแตละสวน ของเครื่องบินขนาดเบา รุนเครื่องบิน Aircraft รุนฐานลอตรึง Cessna 172 Piper Warrior Beach Sundowner Piper Archer Piper Dakota Cessna Skylane Cessna 206 Piper Saratoga รุนพับฐานลอได Cessna Cutlass Mooney 201 Beech Sierra Piper Arrow Cessna Skylane RG Beech Bonanza Cessna 210 Cessna 210T

น้ําหนักรวม WG ปอนด

อัตราสวนน้ําหนัก

2,400 2,440 2,450 2,550 3,000 3,100 3,600 3,800

0.60 0.55 0.61 0.55 0.54 0.56 0.54 0.54

0.16 0.12 0.14 0.11 0.14 0.17 0.15 0.17

2,650 2,740 2,750 2,900 3,100 3,400 3,800 4,000

0.60 0.61 0.62 0.58 0.57 0.62 0.57 0.56

0.14 0.14 0.12 0.15 0.17 0.13 0.14 0.13

เปลา

 We     WG 

อัตราสวนน้ําหนัก Wf    WG 

เชื้อเพลิง 

4.12 การใชคอมพิวเตอรชวยในการแผนแบบ (Computer-aided Design) ในยุคปจจุบนั เปนเรื่องปกติอยูแลวกับการนําเอาคอมพิวเตอรเขามามีสวนชวย ในการทํางาน ผลผลิตตางๆ ทุกวันนี้คอมพิวเตอรมีสวนในการผลิตออกมาแทบทัง้ สิ้น

90

บทที่ 4 แนวทางการแผนแบบเครื่องบิน

โดยเฉพาะการแผนแบบชิ้น สวน เพราะขอดีของการนําเอาคอมพิวเตอรมาใชนั้นมีมาก แตถึงอยางไร คอมพิวเตอรคงไมสามารถทําอะไรไดเองยังคงตองมีคนที่ มีความสามารถ รูถึงวิธีการ ดังนั้นคอมพิวเตอรจึงเปนเพียงเครือ่ งมือ ที่มีประสิทธิภาพเทานั้น ถา ปราศจากคนที่มีคุณภาพ คอมพิวเตอรก็ไมมีความหมาย คอมพิวเตอรไดถูกนํามาใช เพื่อการคํานวณ เปนเวลานานมาแลวเพราะทําไดเร็ว วิศวกรทางอากาศพลศาสตร ใชคอมพิวเตอร เพื่อจําลองสถานการณ การไหล ของอากาศ ผานรูปทรงทีต่ องการทราบ ผลทางอากาศพลศาสตรตอรูปทรงนั้น ในอดีต วิศวกรไดใชวิธีกําหนดจุดขึ้นบนพื้นผิวของรูปทรง และพิจารณาคุณสมบัติของอากาศใน แตละจุดนั้นโดยมีความสัมพันธเกี่ยวเนื่องกัน ตามเงื่อนไขทางทฤษฏี เชน กระแส อากาศตองไหลขนานกับพื้นผิว สามารถจําลองคุณสมบัติของแพนอากาศบางได ดวย แทนพื้นผิวของแพนอากาศบางนั้นดวย อากาศวนเล็กๆจํานวนมาก เรียกทับศัพทวา “วอทิกส (Vortices)” ซึง่ เปนวิธีการทางคณิตศาสตร ที่พยายามจะจําลองปรากฏการณ ธรรมชาติของการไหลของอากาศ ในรูปของคณิตศาสตร เพราะถาตองการใช คอมพิว เตอรแกปญหาหรือใหคําตอบปรากฏการณในธรรมชาติ เราจําตองเปลี่ยนความสัมพันธ ในธรรมชาติทั้งหลายเหลานั้น ใหอยูใ นรูปทางคณิตศาสตรใหได เพราะหนาที่หลักของ คอมพิวเตอรคือการคํานวณไดเร็ว และเก็บขอมูลได วัตถุทุกชนิดมีพื้นผิวภายนอกมีความตอเนื่องโคงเวา การใชคอมพิวเตอรจาํ ลอง ตองกําหนดวาพื้นผิวนั้น เปนแผนระนาบเล็กๆจํานวนมากมาประกอบเขาดวยกันเปน พื้นผิวเรียกวิธีนี้วา “พาเนลเมทอด (Panel methods)” ในสมัยที่ยังไมมีคอมพิวเตอร คง จะมาคํานวณดวยวิธีปกติดวยมือ จากการกําหนดจุดจํานวนมากไมได เพราะทําคงใช เวลาเปนป จึงคํานวณเสร็จ และไมรูวาผิดตรงไหนหรือไม แตถาใชคอมพิวเตอรชวย คํานวณ อาจใชเวลาไมถึงวินาทีหรือมากกวานิดหนอย การคํานวณในขั้นตอนเดิมซ้าํ ๆ กันเปนลานลานหน ตามเงื่อนไขที่เรากําหนด เปนงานที่เหมาะกับ คอมพิวเตอรเปน อยางยิ่ง เพราะทําไดเร็วและถูกตองแนนอน ถาผิด ก็เปนเพราะผูปอนโปรแกรม ในรูปที่ 4.18 เปนวิธีการ พาเนลเมทอด กับเครื่องบิน บีชคราฟ สะแตกเกอวิง (Beechcraft Staggerwing) ที่แผนแบบ เพื่อตองหาคุณสมบัติทางอากาศพลศาสตร

บทที่ 4 แนวทางการแผนแบบเครื่องบิน

91

เปนการชวยประหยัดเวลา ในการเขาอุโมงคลม สะดวกในการเปลี่ยนแปลงรูปทรง ได ตามอําเภอใจ เพื่อใหไดคุณสมบัติที่ตองการ วิศวกรโครงสรางของเครื่องบิน ไดรับประโยชนอยางมากจากการใชคอมพิวเตอร ที่ชวยบอกไดวา แรงที่กระทําในแตละสวนของเครื่องบิน เปนอยางไรขนาดเทาไรในแต ละสภาวะตามแตจะกําหนดเงื่อนไข แตละชิน้ ที่ประกอบขึ้นมาเปนโครงสรางมีความ สลับซับซอน วิธีนชี้ วยในการประมาณคาความเคนที่จะเกิดขึน้ จริงได ชิน้ สวนบางชิน้ ที่ ไมจําเปนจึงเอาออกหรือลดขนาดลงเปนการชวยลดน้ําหนักได ในทุกวันนี้วธิ ีที่เรียกวา “วิธีการทางไฟไนทอิลิเมนต (Finite element method)” สามารถจําลอง โครงสรางขนาดใหญ เปรียบเสมือนชิน้ สวนขนาดเล็กจํานวนมาก ประกอบเขาดวยกัน คือ โนด(node) โดยใชวิธีการทางคณิตศาสตรพิจารณาแตละ โนด ที่รวมเปนโครงสรางขนาดใหญนี้ ซึ่งใหผลดี ชวยในการคํานวณหา คาความเคน ใน โครงสรางไดอยางแมนยําและสะดวก ทําใหการแกปญหาในเรื่องของแรงที่เกิดกับ โครงสราง เปนเรื่องงาย ดวยโปรแกรมสําเร็จรูป ที่ใชวิธีนี้ในการแกปญหาเรื่อง ความ แข็งแรงของโครงสราง โดยเฉพาะเครื่องบินจําเปนตองใช เพราะไมใชแข็งแรงอยางเดียว แตตองคํานึงถึงน้ําหนักดวย

รูปที่ 4.18 เครื่องบิน บีชคราฟ G-17 แบบปกสองชั้น แผนแบบดวยคอมพิวเตอร

92

บทที่ 4 แนวทางการแผนแบบเครื่องบิน

การแผนแบบเครื่องบินรุนใหม นอกจากเรื่องของการคํานวณเพื่อใหไดผลออกมา ที่ดีที่สุดแลว ยังมีการแสดงรูปของเครื่องบิน หรือเขียนแบบเครื่องบินในลักษณะสามมิติ ที่เหมือนจริงดวย ทําใหการแผนแบบเครื่องบินงายและสะดวกมากขึ้น ดวยเหตุที่ คอมพิวเตอรและซอฟแวรมีการพัฒนาไปไกลจะเห็นวามี ซอฟแวรเกี่ยวกับ ของไหลหรือ ทางอากาศพลศาสตร รวมทั้งชวยในการเขียนแบบ ที่รูจักกันดีวา คอมพิวเตอรเอด ดีไซน(Computer Aid Design CAD) ออกมาวางขายกันมาก ทุกวันนี้บริษทั ผูแผนแบบ และสรางเครื่องบิน จึงไดพัฒนาวิธีการแผนแบบเครื่องบิน ที่สามารถทําไดแทบทุก ขั้นตอน ครบวงจรตั้งแตตนจนออกมาเปนรูปเครือ่ งบิน ในนัน้ มีขอมูลและทุกสิ่งที่ตองใช ในการแผนแบบ ครบในเครื่องคอมพิวเตอร คงเหลืออยูแตการทดสอบในอุโมงคลมจริง จึงถือไดวาเปนการชวย ทําใหเครื่องบิน ที่ถูกแผนแบบมาในรุนใหมนั้นมีคุณสมบัติที่ดี ยิ่งขึ้น

บทที่ 4 แนวทางการแผนแบบเครื่องบิน

แบบฝกหัดบทที่ 4 4.1

ขอมูลจําเพาะของเครื่องบินที่เราตองการ มีอะไรบาง

4.2

นอกจากเรื่องของสมรรถนะที่ตองการแลวสิ่งที่ ผูแ ผนแบบตองคํานึงถึงอีกมี อะไรบาง

4.3

ขั้นตอนและชวงเวลาในการแผนแบบโดยทั่วไปนั้น มีกี่ขั้นตอนอะไรบาง

4.4

เทรดออฟ (Tradeoff) หมายถึงอะไร เกี่ยวของอยางไรกับการแผนแบบ

4.5

สวนของสมรรถนะ ของเครื่องบินที่ตองการ มีอะไรบาง และเครือ่ งบินจะตองมี คุณสมบัติอยางไร จึงจะไดสมรรถนะที่ตองการ ในแตละขอ

4.6

ลําตัวของเครื่องบินที่ดี ตองเปนอยางไร

4.7

การติดตั้งปกเขากับลําตัวเครื่องบิน แบบอยูบน และแบบอยูล า ง มีขอดีขอเสีย อยางไร อธิบายเปนขอๆ

4.8

การฟลเล็ต (Fillet) คือ อะไร ทําเพื่ออะไร

4.9

โครงสรางปกที่ใชคานชวยค้ําอยูภายนอก มีขอดีขอเสียอยางไร อธิบาย

4.10 ลักษณะของแพนหาง มีกแี่ บบ แตละแบบมี ขอดี ขอเสีย อยางไร 4.11 จงเขียนผังแสดงขั้นตอนการแผนแบบ

93

94

บทที่ 4 แนวทางการแผนแบบเครื่องบิน

4.12 จงใหความหมายของน้ําหนักตอไปนี้ (ที่เปนคําภาษาอังกฤษ) แตละคํา 1. Gross weight 2. Empty weight 3. Fuel weight 4. Payload weight 4.13 วิธีการแกปญหา ทางดานโครงสราง โดยใชคอมพิวเตอรชวย เรียกวาอะไร

บทที่ 5 การทดสอบทางอากาศพลศาสตร 1 (Aerodynamic Testing 1) เมื่อการแผนแบบถึงตอนสุดทาย ไดรูปรางและสวนตางๆออกมาเปนทีแ่ นนอน ถูกตองแลว ขั้นตอไปก็ตองเปนการทดสอบ หรือตรวจสอบวา สิ่งที่ไดมานี้เปนอยางที่ ตองการจริงๆหรือไม ถาจะใหแนนอน คือตองดําเนินการสรางตัวเครื่องบินตนแบบที่มี ขนาดเทากับที่ตองการจริงออกมาและทดลองบินดูวา สมรรถนะและคุณสมบัติทั้งหลาย ตรงกับที่คาดคะเนไวหรือไม แตการทดสอบดวยวิธีนี้ ในปจจุบันคงไมคุมกับการลงทุน จนกวาจะแนใจวา แบบที่ออกมานั้นถูกตองสมบูรณอยางที่ควรจะเปน ดังนั้นจึงตองมี การทดลองเกิดขึ้นในระหวางกระบวนการแผนแบบที่ยังไมสนิ้ สุด เพื่อนําขอมูลจากการ ทดลองมาปรับปรุงแกไขแบบที่ อยูในระหวางการปรับเปลี่ยน เมื่อแนใจวาทุกอยางเขาที่ ไมมีการเปลี่ยนแปลงแลวนั้นแหละ จึงไดสรางแบบจําลองขนาดยอทั้งลํา เพื่อเขาทําการ ทดลองขั้นสุดทายเพื่อเปนการสรุปผล หนทางในการทดสอบผลกระทบ ที่มีตอเครื่องบินที่ไดสรางขึ้นมาแลว เพื่อ ตองการหาขอ มูลบางอยางเพิ่มเติม มีอยูสองทางคือ การทดสอบดวยการบินจริง กับ การทดลองในหองทดลอง ที่ตองใชอุโมงคลม ซึ่งเปนเครื่องมือที่ชวยหาคุณสมบัติทาง อากาศพลศาสตรของ สวนตางๆของเครื่องบิน อยางที่องคการ นาซา (NASA) ไดทํา การวิจัย ในเรื่องคุณสมบัติทางอากาศพลศาสตร ขัน้ พื้นฐานของรูปทรงตางๆ ไดแก ปก ชองทางอากาศเขาไปยังเครื่องยนตเจ็ต (Inlet contour) สวนที่ใชครอบตัวเครื่องยนต เพื่อลดแรงตาน (Cowling) เพื่อหารูปรางที่ดีที่สดุ ในการลดแรงตานลง บริษัทแผนแบบ เครื่องบินทั้งหลาย ใชอโุ มงคลมเพื่อทดสอบ หรืออาจจะเปนการหาขอมูลขั้นพื้นฐาน เพื่อนําไปใชพัฒนาปรับปรุง กับสิ่งทีท่ างบริษัทไดแผนแบบขึน้ มาเอง ตอไป สวนมากแลว นักแผนแบบจะใชอุโมงคลมเพื่อหาคาแรงตาน ของแตละสวนที่ได แผนแบบมา หรือเปนการทดสอบสมรรถนะ เมื่อมีการปรับเปลี่ยน ปก ลําตัวหรือ หาง ที่ ประกอบอยูดวยกัน การทดลองเพื่อหาคุณสมบัติทางอากาศพลศาสตร โดยใชอุโมงค ลม จึงทําทั้งในลักษณะ แยกสวนแตละชิน้ และ ประกอบขึ้นทั้งลําของเครื่องบิน

96

บทที่ 5 การทดสอบทางอากาศพลศาสตร1

รูปที่ 5.1 เซอร จอรจ แคลีย และเครือ่ งทดลองทางอากาศพลศาสตรที่เขาใช

5.1 ประวัติความเปนมาของอุโมงคลม (History of Wind Tunnels) คนแรกที่ทดสอบแบบจําลอง (ประมาณ ค.ศ. 1799) เพื่อหาคุณสมบัติทาง อากาศพลศาสตรตามหลักฐานทีบ่ ันทึกไว คือ เซอร จอรจ แคลีย (Sir George Cayley) ไดใชเครื่องมือดังในรูปที่ 5.1 หาแรงที่เกิดขึ้น (เครื่องมือนี้ถูกสรางโดย เบญจมิน โรบิน ทหารอังกฤษ) กับแบบจําลองหรือแพนอากาศ มีลักษณะเปนแขนยาว ติดตั้งแพน อากาศที่ตองการทดลองไว ตรงปลาย และหมุนได ในแนวระดับ ยังมีเครือ่ งมืออีกหลาย อยางที่ถกู สรางขึ้นเพื่อชวยในการทดลองทางอากาศพลศาสตร ที่อยูในอาคารทดลอง ของเขา หลักการพื้นฐานของอุโมงคลมคือ ยึดวัตถุหรือสิ่งที่ตองการทดลองใหนิ่ง และทํา ใหมีกระแสอากาศไหลผาน เพื่อหาแรงที่เกิดขึ้นกับสิ่งที่นํามาทดลอง แนวความคิดนี้ถูก แนะนําเปนครั้งแรกโดย ลีโอนาโด ดาวินซี ซึ่งไดยืนยันแนวคิดนี้วา การยึดวัตถุใหอยูนิ่ง และมีกระแสอากาศไหลผาน ใหผลเชนเดียวกันกับที่ อากาศหยุดนิ่งและวัตถุดังกลาว เคลื่อนทีผ่ าน มีบางคนยังไมยอมรับกับ แนวความคิดนี้ ดวยเขาใจวา ไมนาจะใหผล เหมือนกัน ออตเตป ชานุท(Octave Chanute) นักประดิษฐ และทดลองเครื่องรอน ชาว อเมริกัน ยังเชื่อวาทั้งสองสถานการณ มีความแตกตางกัน และไดมีการพูดคุยถกเถียง

บทที่ 5 การทดสอบทางอากาศพลศาสตร1

97

กันในเรื่องนีก้ ับ สองพีน่ องตระกูลไรทซึ่งเชื่อเชนเดียวกับ ดาวินซี ในที่สุดก็สามารถ พิสูจนใหเห็นไดวา แนวความคิดของ ดาวินซี นัน้ ถูกตอง อุโมงคลมตัวแรกที่บันทึกไวในประวัติศาสตร ถูกสรางโดย ฟรานซิส เวนแฮม (Francis Wenham) ในประเทศอังกฤษ เมื่อ ป ค.ศ. 1871 เปนกลองสีเ่ หลีย่ มที่ถูกสราง มาอยางงายๆ และมีลมเปาผาน ดวยเครื่องจักรไอน้ําหมุนใบพัด ไดถูกปรับปรุงให สามารถวัด แรงยก และแรงตาน ของวัตถุรูปทรงพื้นฐานทางอากาศพลศาสตร สําหรับ อุโมงคลมตัวที่สอง ที่ถูกบันทึกไว สรางโดย โฮเรโช ฟลลิบส (Horatio Phillips) ชาว อังกฤษ เมื่อป ค.ศ. 1884 และไดทําการทดลอง แพนอากาศ บางแบบในชวงเวลานัน้ นอกจากอุโมงคลมสองตัวนี้ ยังมีทถี่ ูกสรางขึ้นหลังจากที่กลาวไปแลวอยูบาง ในยุโรป และรัสเซีย ชวงประมาณ ศตวรรษที่ 19 แตไมคอยไดมีการกลาวถึง อุโมงคลมตัวแรกของอเมริกา ถูกสรางขึ้นที่ สถาบันเทคโนโลยี แมสสันชูเซส ใน ป ค.ศ. 1896 ซึ่งถือวาเปนของใหมสําหรับคนในยุคนั้น สองพี่นองตระกูลไรทไดสราง อุโมงคลม ขึ้นมาไวใชเองในป ค.ศ. 1901 จากประสบการณ ในเรื่องเครื่องรอนที่สราง ขึ้นมากอนหนานี้ ขอมูลทางอากาศพลศาสตรบางสวนยังไมถูกตอง อยางไรก็ตามความ คิดเห็นที่ยังไมตรงกัน กับของ ชานุท นาจะหาขอสรุปไดจาก การสรางอุโมงคลมขึ้นมา ดังในรูปที่ 5.2 ขับใบพัดดวย เครื่องยนตเบนซิน (Gasoline engine) เพื่อหาขอมูลที่ ตองการทราบ สองพี่นองไรท แผนแบบสรางอุปกรณวัดแรง (Balance) ขึน้ มาเองเพื่อใช วัด แรงยก แรงตาน ของแพนอากาศแบบตางๆที่เขาคิดขึ้นมาได ในขณะนั้น ดูในรูปที่ 5.2 เปนชิ้นเล็กๆวางอยูด านบนของอุโมงคลม เขาไดทําการทดลอง เพือ่ หาคุณสมบัติ ของแพนอากาศกวารอยแบบ เปนขอมูลที่สําคัญ ชวยทําใหการตัดสินใจในการแผน แบบเครื่องบินที่เขาจะสราง ใหไดสมรรถนะอยางตองการ จากความมุงมั่น ความ พยายาม ประกอบกับ สติปญญาที่ฉลาด จึงทําใหสองพีน่ องไรท ไดเปนนักบุกเบิก ทางดานอากาศยานที่มีชื่อเสียง ซึ่งไมคอยไดพบบอยนักทีน่ ักประดิษฐจะมีคุณสมบัติ ครบถวน ในการใชวิทยาศาสตรทางอากาศพลศาสตร เพื่อปรับปรุงอากาศยานที่กําลัง สรางขึ้นดวยตัวเอง จนกระทั่งประสบความสําเร็จ ในการสรางเครื่องบิน และทําการบิน ไดเปนครั้งแรกของมนุษย

98

บทที่ 5 การทดสอบทางอากาศพลศาสตร1

เริ่มมีการสรางอุโมงคลมใชขึ้นในยุโรปเมื่อประมาณ ตนศตวรรษที่ 20 ผูบุกเบิก ทางอากาศพลศาสตรไดปรับปรุง ทฤษฏีและความรูพื้นฐานของวิทยาศาสตรในดานนี้ กาวตอไปในการพัฒนาวิทยาศาสตรในดานนี้ คือ การพัฒนาอุโมงคลม

รูปที่ 5.2 อุโมงคลม ที่สรางขึ้นมาเองของสองพี่นอ งตระกูลไรท เพื่อใชทดลองหาขอมูล ของแพนอากาศแตละแบบ การพัฒนาอุโมงคลมในอเมริกาเปนผลมาจาก สงครามโลกครั้งที่ 1 คณะกรรม การที่ปรึกษา ทางอากาศพลศาสตรแหงชาติ (National Advisory Committee for Aeronautics ชื่อยอ NACA) ซึ่งถูกกอตั้งในป ค.ศ. 1915 ตอมาในป ค.ศ. 1917 ได สรางอาคารศูนยปฏิบัติการทดลอง ทีแ่ ลงเลย (Langley ตั้งชื่อตาม ชื่อนักวิทยาศาสตร ที่บุกเบิกความรูทางอากาศยาน) ใน แฮมตัน รัฐเวอจิเนียร อุโมงคลมตัวแรกที่นี่เริ่มสราง ในป ค.ศ. 1919 และสรางเสร็จในปถัดมา ซึ่งเปนแบบเดียวกับที่ ถูกสรางและพัฒนามา

บทที่ 5 การทดสอบทางอากาศพลศาสตร1

99

โดย กุสตาฟ อิฟฟล (Gustave Eiffel) ในกรุงปรารีส ฝรั่งเศส อุโมงคลมแลงเลย มีขนาด ของบริเวณที่ใชทดสอบ (Test section) เสนผาศูนยกลางโต 5 ฟุต ทําความเร็วของ กระแสอากาศไดถึง 120 ไมล/ช.ม. เปนอุโมงคลม ที่ประสบความสําเร็จ หลังจากนัน้ ไดมี การสรางอุโมงคลมตัวที่สอง และเสร็จในป ค.ศ. 1922 เปนอุโมงคลมที่ปรับความ หนาแนนของอากาศได คือเปนถังขนาดใหญมีความแข็งแรงมากพอ ที่จะรับแรงจาก ความดันอากาศในถังไดสูง เนื่องจากการทดลอง กับแบบจําลอง ตองการขอมูลที่คา ตัวเลข เรยโนลด สูง (ตัวเลข เรยโนลด

Re 

VD ) 

นั่นคือตองเพิ่มความเร็วV แตก็

ไดจํากัด ตัวถัดไป ขนาดของแบบจําลอง D ก็ถูกจํากัดดวยขนาดของ สวนที่ใช ทดสอบ (Test section) ถาตองการใหใหญก็ตองขยายทั้งอุโมงคลมจึงไดใชวิธี เพิม่ ความหนาแนนอากาศ  ดวยการเพิ่มความดันใหกับอากาศ จึงตองใชถังอัดอากาศ ดัง ในรูปที่ 5.3 ชวยทําใหหาคุณสมบัติทางอากาศพลศาสตรไดในชวง ตัวเลขเรยโนลด หรือ ความเร็วที่สูงขึ้น

รูปที่ 5.3 อุโมงคลม แบบปรับความหนาแนนของอากาศได ขององคการ NACA

100

บทที่ 5 การทดสอบทางอากาศพลศาสตร1

รูปที่ 5.4 อุโมงคลมทดสอบใบพัดเครื่องบินขนาดจริง ที่แลงเลย ของ NACA

รูปที่ 5.5 อุโมงคลม ทดสอบ เครื่องบินขนาดจริง ที่แลงเลย ของ NACA

บทที่ 5 การทดสอบทางอากาศพลศาสตร1

101

อุโมงคลมขนาดเสนผาศูนยกลางโต 20 ฟุต ที่ แลงเลย สรางเสร็จเมื่อ ป ค.ศ.

1927 ตนตํารับอุโมงคลม สําหรับทดสอบใบพัดเครื่องบิน ขนาดจริง (Full scale) ซึ่งได พิสูจนแลววาคุมคากับ การสรางขึ้นมาใชงาน เพราะมีประโยชนจริง เปนการชวยพัฒนา งานทางอากาศพลศาสตร ในการสรางและทดสอบใบพัดเครื่องบิน โดยใชเครื่องบิน ขนาดจริงเขาทดสอบ ในรูปที่ 5.4 จากความสําเร็จอันนี้ เปนการนําไปสู การสรางอุโมงค ลมที่ใหญที่สุด ของ แลงเลย ในป ค.ศ. 1931 เพื่อใชทดสอบ เครื่องบินขนาดจริง (Fullscale tunnel) มีรูปรางของภาคตัดขวาง บริเวณที่ใชทดสอบเปนรูป วงรี(Oval) โต 30 ฟุต ในแนวดิ่ง และ60 ฟุต ในแนวระดับ (สําหรับปกเครื่องบิน) ใชพัดลมขับสองตัว ดวย กําลัง 4,000 แรงมา ทําความเร็วของอากาศที่บริเวณทดสอบไดถึง 118 ไมล/ช.ม. ในรูป ที่ 5.5 แตวาในปจจุบนั มีอุโมงคลมที่ใหญกวา อยูที่ เอมส รีเสิด เซ็นเตอร(Ames Research Center) มีขนาดของภาคตัดขวางบริเวณที่ใชทดสอบโต 40  80 ฟุต ถือวา เปนอุโมงคลมที่ใหญที่สุดในโลก

5.2 แบบตางๆของอุโมงคลม (Wind Tunnel Type)

รูปที่ 5.6 อุโมงคลมแบบ โอเพนเซอกิต (Open circuit) ขนาดเล็ก ใชสําหรับสาธิต

102

บทที่ 5 การทดสอบทางอากาศพลศาสตร1

อุโมงคลมแบบ โอเพนเซอรกิต(Open circuit wind tunnel)” อุโมงคลมที่สองพี่นองไรท สรางขึ้นมาใช เปนแบบเปด คืออากาศไหลเขาดาน หนาและพุงออกทิ้งไปทางดานหลัง เรียกทับศัพทวา “โอเพนเซอรกิต (Open circuit)” อุโมงคลมของ อิฟฟล ในกรุงปรารีส ที่อเมริกันโดย NACA นําแบบมาสรางในตอนแรก ก็ เปนแบบ โอเพนเซอรกติ เชนกัน ซึ่งเปนแบบที่สรางไดงายและใหประสิทธิภาพดี ใน ปจจุบนั ยังคงนิยมใชกันอยู ตามสถานศึกษาและหนวยงานวิจัยทั่วไป ในรูปที่ 5.6 เปน อุโมงคลมขนาดเล็กของแอโรแลบ (Aerolab) ในรัฐแมรีแลนดเปนบริษทั ผูผลิตอุโมงคลม เพื่อการศึกษาขายทั่วโลก คอนขางเปนที่นิยมใชในโรงเรียน และหองทดลองรูปที่แสดง ผลการทดลองกับอุโมงคลม ในหนังสือเลม 3 (เลมตอไป) ก็ไดมาจากอุโมงคลมตัวนี้

รูปที่ 5.7 อุโมงคลมแบบ เปด หรือ โอเพนเซอรกติ (Open circuit wind tunnel) ในรูปที่ 5.7 แสดงใหเห็นสวนตางๆ ภายในอุโมงคลม แบบ โอเพนเซอกิต พัดลม อยูทางดานทาย ดูดอากาศเขาทางดานหนาและเปาออกทางดานหลัง ตรงปากทางเขา ทําเปนชองเล็กๆจํานวนมาก บางครั้งเรียกวา “ฮันนีคอม (Honeycomb)” เพราะมี

บทที่ 5 การทดสอบทางอากาศพลศาสตร1

103

ลักษณะเหมือนรวงผึ้ง เพื่อชวยทําใหกระแสอากาศที่ไหลเขามา มีความเปน ยูนิฟอรม (Uniform) ไหลในแนวทิศทางเดียวกัน ตอมาลดขนาดพื้นที่หนาตัดลงเพื่อ เพิ่มความเร็ว ของกระแสอากาศ คลายทอ เวนจูรี่ จะไดกลาวในเลม3 ตอไป อุโมงคลมขนาดเล็ก แบบโอเพนเซอกิต นิยมใชในตัวอาคารหรือในหองทดลอง สวนอุโมงคลมที่มีขนดใหญขึ้น จําเปนที่จะตองเปดสูอากาศภายนอก เพราะไมเชนนัน้ การไหลของอากาศอาจไมเพียงพอ ทีต่ องถูกดูดเขาไปใชในอุโมงคลม แตก็ตองมีปญหา กับ เรื่องของลมภายนอก ฝุนละออง หรือเศษวัสดุเล็กๆที่ปลิวอยูในอากาศ ที่สงผลให อากาศที่ไหลในบริเวณทดสอบ ไมมีความเปนยูนิฟอรมพอ ประกอบกับมีเสียงคอนขาง ดัง อากาศที่ถูกเปาออกดานหลังแรง ทําใหยุงยากตอการใชงาน บาง

อุโมงคลมแบบปด (Closed-circuit wind tunnel) อุโมงคลมที่มีขนาดใหญขึ้นมักจะทําเปนแบบ ปด ทีเ่ รียกทับศัพทวา “โคสเซอร กิต (Closed circuit)” หรือ บางครั้งเรียกวา แบบ “รีเทอนไทพ (Return type)” ดังในรูป ที่ 5.8 เปนการใชใบพัดที่หมุนจากมอเตอร เปาใหกระแสอากาศมีการเคลื่อนที่ ต่ํากวา บริเวณ ที่ใชทดสอบ ขอดีคือกระแสอากาศที่มีพลังงานจลน (พลังงานจาการเคลื่อนที่ หรือความเร็ว) ไมถูกเปาทิ้งไปอยางอุโมงคลมแบบเปด คือหมุนกลับมาใชไดอีกเปนการ ประหยัดพลังงาน ในสวนที่ไมใชบริเวณทดสอบไมตองการใหมีความเร็วสูง เพื่อลดแรง เสียดทานกับผนัง เกิดการกอตัวของเลเยอรบนผนังใหมีความหนามาก และสูญเสีย พลังงานไปกับแรงเสียดทาน และมีขนาดหนาตัดเทากันเวนเสียแต กอนถึงบริเวณ ทดสอบ จึงลดขนาดของพื้นที่หนาตัดลง เพื่อเรงความเร็วของกระแสอากาศ ศัพท ภาษาอังกฤษใช คําวา กรวยทางเขา (Entrance cone) หรือ ทอเรงความเร็ว (Nozzle อานวา “นอสเซิล” คําเหลานี้การเรียกทับศัพท จะเปนการดีทสี่ ุดแตการใชศัพทที่มีอยูใน ภาษาไทย เปนการสรางความเขาใจ) ซึ่งในอุโมงคลมตองการใหมีความเร็วสูงบริเวณ ทดสอบ และเมื่อกระแสอากาศไหลผาน บริเวณทดสอบ(Test section) แลว จึงขยาย พื้นที่หนาตัดขึ้นสวนนี้เรียกวา “สวนขยาย (Diffuser section)” เปนการลดความเร็วลง อยางเดิม อัตราสวนระหวาง พื้นที่หนาตัดของบริเวณกอนเขาสูบริเวณทดสอบ ตอ

104

บทที่ 5 การทดสอบทางอากาศพลศาสตร1

พื้นที่หนาตัดของบริเวณที่ใชทดสอบ เปนคาที่มีความหมาย มีชื่อเฉพาะวา คอน แทรคชั่นเรโช(Contraction ratio) ตองไมนอยไปกวา 4 ถามีความจําเปน อาจจะมีคา มากกวานี้ ในรูปที่ 5.9 แสดงบริเวณของสวนกอนเขาไปยัง สวนทดสอบ (Entrance cone) ของอุโมงคลมความเร็วต่ํา ที่อาคารทดลองอากาศพลศาสตร มหาวิทยาลัย เพนนเสต็ท (Penn State) มีขนาดของภาคตัดขวาง บริเวณทดสอบ A  4  5 ft และ มีขนาด(พื้นที่)ของภาคตัดขวาง ดังนี้ 2

test

บริเวณกอนถึงบริเวณทดสอบ(Setting chamber)

Aset  12  12 ft 2

คา คอนแทรคชั่นเรโช(Contraction ratio) เทากับ

Aset 12  12 ft 2   7.2 Atest 4  5 ft 2

เมื่อกระแสอากาศไหลผาน บริเวณทดสอบและไปยัง บริเวณสวนขยายเปนการ ลดความเร็วอากาศ (Diffusion section) กอนที่อากาศจะไหลตอไปยังสวนของใบพัด

รูปที่ 5.8 อุโมงคลมแบบ ปด หรือ โครสเซอรกิต (Closed circuit)

บทที่ 5 การทดสอบทางอากาศพลศาสตร1

105

รูปที่ 5.9 เปนภาพถายภายในอุโมงค บริเวณอากาศไหลกอนเขาสูบริเวณทดสอบ (Contraction nozzle) ของมหาวิทยาลัย เพนนเสต็ท อุโมงคลมที่กลาวถึงนี้เปนแบบ ซิงเกิลรีเทอน(Single return) คืออากาศไหลใน อุโมงคลมเพียงชองทางเดียวจนครบรอบ ยังมีอุโมงคลมแบบ ดับเบิลรีเทอน (Double return) คือ อากาศที่ผานบริเวณทดสอบแลว ไหลแยกออกเปนสองสวนเพื่อไปยังใบพัด ซึ่งมีสองตัว และวนกลับมารวมกันอีกกอนเขาบริเวณทดสอบ (Test section) เรียกทับ ศัพทวาบริเวณ เอนทราน (Entrance) หรือเรียกอีกชื่อหนึ่งวา สวนจัดระเบียบอากาศ กอนเขาสูบริเวณทดสอบ

อุโมงคลม แอนนูลา (Annular Tunnels) เปนอุโมงคลมแบบ ดับเบิลรีเทอน (Double return) ภายใตชื่อวา แอนนูลารี เทอน (Annular return) การแผนแบบอุโมงคลมลักษณะนี้มาจากองคการ NACA ที่ใช อุโมงคลมแบบปรับความหนา แนนอากาศได ซึ่งเหมาะทีจ่ ะใชเปนแบบ ดับเบิลรีเทอน

106

บทที่ 5 การทดสอบทางอากาศพลศาสตร1

ซึ่งยากตอการดูแบบจําลอง ที่ติดตั้งอยูในสวนของ บริเวณทดสอบ เปนการแผนแบบมา เฉพาะ ซึ่งไมคอยมีการสรางขึ้นมาใช

อุโมงคลมดูการสปน (Spin tunnels) เปนอุโมงคลมแบบพิเศษใชทดสอบเฉพาะเหตุการณ มีใชอยูที่ ศูนยวจิ ยั การ สปน ที่แลงเลย (Langley Research Center for spin research) ดังในรูปที่ 5.10 แผน แบบใหอากาศไหลขึ้นในแนวดิ่งบริเวณทดสอบ แบบจําลองเปนเครื่องบินทัง้ ลํา ที่ปลอย ใหบินรอนลงไปอยางอิสระในสภาวะสปน ความเร็วของกระแสอากาศไหลขึ้นในแนวดิ่ง ถูกปรับใหสมดุลพอดีกับการรวงหลน จากแรงโนมถวงของโลก ทําใหเครื่องบินลอยอยู นิ่งบริเวณที่ใชสังเกต แผนแบบใหบริเวณศูนยกลางของอุโมงค มีความดันต่ํากวาผนัง เพื่อปองกันไมให เครื่องบินจําลองเขามาชิดกับผนัง

รูปที่ 5.10 อุโมงคลมสปน โดยองคการNASA ใชสังเกต การสปนของเครื่องบิน

บทที่ 5 การทดสอบทางอากาศพลศาสตร1

107

ถาเครื่องบินจําลองมีการเขาสูส ภาวะสปน ปรากฏการณก็จะดําเนินไป เชนเดียว กับการ สปนในสภาวะแวดลอมจริง เพียงแตวาปรับใหความเร็วของอากาศที่ไหลขึน้ ใน แนวดิ่งเทากับอัตราการรวงหลนของเครื่องบินที่กําลังสปน ดวยวิธีนี้จึงเปนการ ชวยให เขาใจถึงสภาวะสปนไดอยางมีประสิทธิภาพ ถายรูปและบันทึกเปนภาพยนตร ไวศึกษา เพิ่มเติมได และยังใชในการทดสอบการรวงหลนของรมชูชีพ และอุปกรณอื่นๆในทํานอง เดียวกัน ไดอีกดวย อุโมงคลมสปนโดยทั่วไปไมคอยมีใชปจจุบันมีอยูไมกี่แหงในโลกเมื่อป ค.ศ.1970 องคการ NASA ไดกลับมาใหความสนใจกับเรื่องการ สปนของเครื่องบินขนาดเบาอีก จึง ไดมีการรื้อฟนกลับมาใชอุโมงคลมชนิดนี้อีก โดยใชเครื่องบินเล็กบังคับดวยวิทยุ จําลอง เหตุการณ และใชเครื่องบินจริงทดสอบ ในสภาพความเปนจริง เชนเดียวกับการทดสอบ ในอุโมงคลมสปน

108

บทที่ 5 การทดสอบทางอากาศพลศาสตร1

แบบฝกหัดบทที่ 5 5.1

อุโมงคลมของสองพี่นองไรท เปนประเภทไหน

5.2

อุโมงคลม ทีน่ ิยมใชตามสถานศึกษา เปนอุโมงคลมประเภทไหน มีขอดีขอเสียอยางไร

5.3

เพราะเหตุไร อุโมงคลมแบบ โอเพนเซอรกิต จึงติดตั้งมอเตอรใบพัดไวดานหลัง ของ บริเวณทดสอบ (Test Section)

5.4

สวนของอุโมงคลม ที่เรียกวา “ฮันนี่คอม” มีไวเพื่ออะไร

5.5

อุโมงคลมแบบปดทํางานอยางไร ทําไมจึงเรียกวา แบบปด และมีขอดีอยางไร บาง เมื่อเทียบกับ อุโมงคลมแบบเปด

5.6

คอนแทรคชัน่ เรโช (Contraction ratio) หมายถึงอะไร อธิบาย

บทที่ 6 พัฒนาการของเครื่องบิน ความรูและเทคโนโลยีของอากาศยานนั้น ไดมีการพัฒนาอยางตอเนื่องมาเปน เวลา นานแลวนับตั้งแต สองพี่นองไรท ไดนําเครื่องบินที่ออกแบบและสรางเอง ลอยขึ้น จากพื้นทรายสูอากาศที่ คิตตี้ฮอก ดวยการควบคุมของ เออวิลล ไรท และประสบ ความสําเร็จในการบินเปนครั้งแรกของมนุษย มาถึงในปจจุบนั ความเร็วของเครื่องบิน ที่ ทําความเร็วไดคอนขางต่ํา ยังมีความเร็วสูงกวาเครื่องบินในชวง สิบปแรกของการเริ่มตน บินดวยเครื่องบินของมนุษย ความเร็วสูงสุดของเครื่องบินที่ทาํ ไดในปจจุบนั สูงกวาใน ยุคแรกกวา 50 เทา บินไดสูงเกินกวาชั้นบรรยากาศที่หุมหอโลก แม กระทัง่ ออกไปนอก โลก หองโดยสารมีการปรับความดัน มีการปองกันรังสีในกรณีที่บินในระดับสูงมากๆ อัตราไต มุมไต ที่ทําไดแมเปนมุมฉาก การพัฒนาเปนไปในทุกดาน การบินขึ้นบินลง ใช ระยะทางสั้นลง แมในแนวดิ่ง เครื่องบินขนาดเบาก็มีการพัฒนาไปเชนเดียวกัน

6.1 วิวัฒนาการของการแผนแบบ (Design Evolution) ปจจุบนั เราจะเห็นวา เทคโนโลยีในทุกดานพัฒนาไปไกลมาก หลายอยางไมเคย คาดคิดมากอนวาจะมีเทคโนโลยี แบบนี้เกิดขึ้น เชนเดียวกันเทคโนโลยีทางดานอากาศ พลศาสตร ไดมีการวิจัยและพัฒนาอยูตลอดเวลา ยากทีจ่ ะคาดเดาวาอนาคตจะเปน อยางไร ในโลกของอากาศพลศาสตร ไดถูกพัฒนามาเปนลําดับ คุณสมบัติทางอากาศ พลศาสตรของเครื่องบินที่ดีขึ้น ประสิทธิภาพของเครื่องบินโดยรวมสูงขึ้นก็เนื่องมากจาก การพัฒนาในทุกๆดานทีต่ องใช เพื่อการสรางเครื่องบินทั้งลํา ไมวาจะเปนเครื่องยนต หรือระบบอื่นทั้งหลายทีถ่ ูกนํามาใช กับเครื่องบิน ความพยายามที่ตองการบินของมนุษยในอดีต มีปญหาหลักอยูที่ กําลัง ขับเคลื่อนเครื่องบิน ที่มีกําลังมากพอและน้ําหนักเบา เมื่อมีการทําเครื่องยนตที่ตองการ ได จึงมีสวนทําใหการบินของ พี่นองไรท ประสบความสําเร็จ เทคโนโลยีในการพัฒนา เครื่องยนตลกู สูบ สมัยสงครามโลกครั้งที่ 1 สวนใหญมุงไปที่สมรรถนะ ของเครื่องยนต

110

บทที่ 6 พัฒนาการของเครื่องบิน

ขอมูลที่ไดจากการบินในสงครามโลกครั้งที่ 1 เปนสิ่งยืนยันไดอยางดี เมื่อหลังสงคราม ค.ศ. 1919 ไดมีผูตั้งรางวัล ชื่อวา “ออทิจ (Orteig prize)” จะมอบใหกับผูทสี่ ามารถ บิน เดี่ยว (ไมมีการหยุดพัก) จาก นิวยอรก ไปยัง ปารีส ในชวงนั้นไมมีใครสามารถทําได จนกระทั่งตอมา ในป ค.ศ.1927 ชารล ลินเบิรก (Charles Lindbergh) ชาวอเมริกัน ทํา ไดสําเร็จ ดวยเครื่องบินรุน ไรท เจ-5 (Wright J-5) โดยตั้งชือ่ เครื่องบินวา “สปริต ออฟ เซนตหลุย (Spirit of St. Louis)” ซึ่งไดมีการปรับปรุงสมรรถนะใหดีขึ้นมากอนหนานี้ 1 ป ศาสตรแขนงอื่นที่เกี่ยวของกับเครื่องบิน นอกจากอากาศพลศาสตร คือ การแผน แบบโครง สรางอากาศยาน ในยุคแรกๆใช ไม และผา ทําเครือ่ งบิน เมื่อเกิดสงครามโลก ครั้งที่ 1 มีความตอง การใหโครงสรางเครื่องบินแข็งแรงมากยิ่งขึ้น แตตองเผชิญกับ ปญหาเรื่องน้ําหนัก และการทําใหแข็งแรงขึ้นสงผลในเรื่องของแรงตานที่มากขึ้น เพราะ มีลวดสลิง คานค้ํายัน มาก จะทําอยางไรดีที่จะได ความแข็งแรงที่มีน้ําหนักเบา และมี ลักษณะเกลีย้ งเกลา กลมกลืน พืน้ ผิวเรียบเปนมัน เพื่อการลดแรงตาน โดยไมตองมีคาน ค้ํายัน สายลวด ใหเกะกะ เปนเหตุแหงแรงตานที่เพิ่มขึ้น ฮูโก จังเกอร (Hugo Junkers) และ แอนโทนี ฟอกเกอร (Anthony Fokker) ได เปนผูบ ุกเบิก ริเริ่มในเรื่องของโครงสราง ที่ดขี ึ้นดังกลาวขางตน และยังไดทําให โครงสรางทั้งหมดมีลักษณะเปนสวนเดียวกัน ในการรับแรง ที่นิยมเรียกทับศัพทวา “โครงสรางโมโนคอก (Monocoque structure)” คือสวนของพื้นผิวภายนอก ที่เรา มองเห็น ไมเพียงแตทําหนาที่ หอหุมโครงสรางภายในเทานั้น แตยังทําหนาที่ชวยรับแรง ที่เกิดขึ้นมาดวย แนวความคิดนี้ไดถูกใชเปนครัง้ แรกโดย เฟรนช ดีเพอดัสสิน (French Deperdussin) กับโครงสรางลําตัวทีท่ ําดวยไม ของเครื่องบินที่ใชในการแขงขัน กอน สงครามโลกครั้งที่ 1 จังเกอร ไดทํา เครื่องบินลําแรกทีเ่ ปนโลหะทั้งลํา ในชวงของ สงครามโลก ตอมา อะดอฟ โรแบค (Adolph Rohrbach) ไดพัฒนาใหเครื่องบินโลหะทั้ง ลําแบบ โมโนคอก มีพื้นผิวที่เรียบเกลี้ยง ทั้งลําไมใชผิวเรียบเฉพาะในสวนลําตัว เหมือน อยางกอนหนานี้ การพัฒนาที่เกิดขึ้นในแตละดานของเครื่องบินไมวาจะเปนโครงสราง เครื่องยนต งานวิจัยในหองทดลอง และอุโมงคลม ถือไดวามีสว นชวยใหการปรับปรุงคุณสมบัติทาง

บทที่ 6 พัฒนาการของเครื่องบิน

111

อากาศพลศาสตร เปนไปอยางมีประสิทธิภาพ ในชวงหลังจากป ค.ศ.1920 องคการ คณะกรรมการที่ปรึกษาทางดานอากาศยานแหงชาติ (National Advisory Committee for Aeronautic มีชื่อยอวา NACA) ตนกําเนิดขององคการนาซา (NASA) หรือเรียกกัน จนคุนวา “นากา NACA” ไดสรางผลงานที่เปนประโยชน ณ สถาบันวิจัย แลงเลย ในรัฐ เวอรจิเนีย เชน การออกแบบ คาวริ่ง (Cowling) เปนสวนที่ใชครอบเครื่องยนตเพื่อชวย ลดแรงตาน(แตยังคงทําใหการระบายความรอนดีเหมือนเดิม) เปนผลจากการทด ลอง ในอุโมงคลม สําหรับเครือ่ งบินที่ใชเครื่องยนตสูบดาว (Radial engines) เปนเครื่องยนต ที่นิยมใชกันมากในยุคนั้น และถูกนําไปใชกับเครื่องบิน ไรท เจ-5 ผลที่ได เปนที่นายินดี ลดแรงตานเนื่องจากเครือ่ งยนตลงไดถึง 60% และเมื่อนํามาใชกับเครื่องบิน เคอรทิส เอ ที-5เอ (Curtiss AT-5A) ซึ่งเปนเครื่องฝกบิน ชวยทําใหความเร็วสูงขึ้นจาก 118 ไมล/ชม. มาเปน 137 ไมล/ชม. เปรียบไดกับการเพิ่มกําลังใหกับเครื่องยนต ถึง 83 แรงมา จาก ปกติที่มีกําลัง 220 แรงมา ผลงานอื่นทีม่ าจากองคการNACAในชวงนั้น คือการวางตําแหนงของเครื่องยนต โดยการติดเขากับปก เปนการชวยลดแรงตานไดดีอีกวิธีหนึ่ง และจากการทดลองใน อุโมงคลมแสดงใหเห็นวา ฐานลอเปนสวนทีท่ ําใหเกิดแรงตานมาก ดังนั้นจึงสมควรอยาง ยิ่งกับการทําใหฐานลอสามารถพับเก็บเขาไปได จะเปนการชวยลดแรงตานไดอยางมาก แตก็เปนการเพิ่มน้ําหนักและอุปกรณในการชวยพับฐานลอ ตัวอยางเชน เครื่องบิน สะเปอรี แมสเซนเจอร (Sperry Messenger) พบวาแรงตานโดยรวมลดลง 40% จาก การปรับปรุงฐานลอ นอกจากนี้ก็ยังมีเรื่องการ ฟลเลต(Fillet เปนการเติมสวนที่เปนมุม เขาไปใหมนกลมกลืนซึ่งกันและกัน) สวนของปกที่ตอเขากับลําตัว และสวนตางๆที่ ประกอบขึ้นเปนเครื่องบิน เปนผลงานการวิจัยของ สถาบันแคลลิฟอรเนียเทคโนโลยี ซึง่ ตอมาไดรับการรับรองโดย องคการ NACA ในชวงแรกของการบิน เปนวิวัฒนาการของ อากาศพลศาสตรความเร็วต่ํา ตอมา ในชวง ป ค.ศ.1920 ถึง ค.ศ. 1930 เปนชวงของการพัฒนาใหเกิดสิ่งใหมๆเขามาสู วงการของอากาศยาน เชน เครื่องบิน โบอิ้ง 247 (Boeing 247) ไดรับฉายาวา “ที่หนึ่ง ของเครื่องบินโดยสารทันสมัย” และ เครื่องบิน ดักกลาส ดีซ-ี 2 และ ดีซ-ี 3 (Douglas

112

บทที่ 6 พัฒนาการของเครื่องบิน

DC-2, DC-3) ที่ไดมีการปรับปรุงและพัฒนาไปมากอยางเห็นไดชัด หลังจากนั้น ยังคง เปนเครื่องบินที่ทันสมัยอยางตอเนื่อง มาอีกเปนสิบป

รูปที่ 6.1 เครื่องบิน ลอกฮีด วีกา (Lockheed Vega) ไดสรางชื่อเสียงในยุค ค.ศ.1927 แนวความคิดใหมๆ จํานวนมาก ไดถูกนํามาใชกับ เครื่องบิน ดีซ-ี 2 และ ดีซ-ี 3 โดย แจ็ค นอรทรอป (Jack Northorp) กับผูรวมงาน คือ ดักกลาส (Douglas) (และเปน เจาของบริษทั ดักกลาส) กอนหนานี้ แจ็ค ไดทํางานเปนวิศวกรอยูกับบริษัท ลอกฮีด (Lockheed) เปนคนแรกที่ไดพยายามปรับปรุงเครื่องบินอเมริกัน ใหใชปกที่ยื่นออกไป โดยไมตองมีตัวชวยค้ําอยูภายนอก และไดแผนแบบเครื่องบิน ลอกฮีด วีกา (Lockheed Vega) ที่มีโครงสรางอยางที่เขาตองการ โดยใสชุดครอบเครื่องยนต (Cowling ของ NACA) ครอบฐานลอ (Fairing) เปนการลดแรงตาน เครื่องบินลํานี้บนิ ทําความเร็วไดถึง 160 ไมล/ชม. เปนความเร็วที่ตองบันทึกไวในสมัยนั้น และเปนเครื่องบินที่มีชื่อเสียงซึง่ บินโดยนักบินที่มีชื่อเสียงเชนกัน ไดแก ลินเบิรก (Lindbergh) อามิเลีย เออฮาท (Amelia Earhart) ลอสโค เทินเนอร (Roscoe Turner) และ วิลลีย โพสท (Wiley Post) คนที่เห็นในรูปที่ 6.1 คือ วินนี เมย (Winnie Mae) กับนักบินชื่อ วิลลีย โพสท

บทที่ 6 พัฒนาการของเครื่องบิน

113

ในสมัยสงครามโลกครั้งที่ 2 เปนชวงของการบุกเบิก และพัฒนาเครื่องยนตเจ็ต ถือไดวาสงผลใหเกิดการปฏิวัติความรูทางดานอากาศยาน อยางแทจริง นี่คือ ประวัติศาสตรการกาวกระโดด ของสมรรถนะเครื่องบิน อันที่จริงแลว เครื่องยนตเจ็ต เพียงแตชวยทําใหเครื่องบินเร็วขึ้น แตการที่เครื่องบินเร็วขึ้น ทําใหการศึกษาทางดาน อากาศพลศาสตร ตองมีการปรับปรุงเปนอยางมากเกือบทั้งหมด เพื่อใหสอดคลองกับ การเปลี่ยนแปลงทีเ่ กิดขึน้ จําตองทําความเขาใจกับ ปรากฏการณ คลื่นช็อค แพน อากาศแบบใหมๆ รูปรางของเครื่องบิน ชองทางอากาศเขาสูเ ครื่องยนต รูปรางของปก ฯ สิ่งตางๆเหลานี้ตองมีการศึกษาเพื่อความเขาใจที่ถูกตอง กอนที่แรงขับจากเครื่องยนต เจ็ต จะทําใหเครื่องบินสามารถทําความเร็วไดสูง เขาใกลความเร็วเสียง หรือสูงกวา ความเร็วเสียง ในตอนนั้นความรูทางอากาศพลศาสตร ในยานความเร็วต่ําเกือบจะ ทั้งหมด ไมไดถูกนํามาใชกับการแผนแบบเครื่องบินในยุคของเครื่องบินที่ใชเครื่องยนต เจ็ต แตสําหรับเครื่องบินขนาดเบา ยังคงใชความรูทางอากาศพลศาสตรในสมัยกอน สงครามโลกครั้งที่สองไดอยู อาจมีบางที่ใชเทคโนโลยีของเครื่องยนตเจ็ต แตเครื่องยนต ลูกสูบไดถูกใชมาตั้งแตชว งสงครามโลกครั้งที่สอง ที่ไดพยายามพัฒนาประสิทธิภาพของ เครื่องยนตลกู สูบใหสูงยิ่งขึ้น ในชวงสงคราม กําลังที่ใชขับเคลื่อนเครื่องบินที่มีใชอยูใน โลก99% มาจากเครื่องยนตลูกสูบ และในปจจุบนั เครื่องยนตลูกสูบยังคงเปนเครื่องยนต ยอดนิยมของเครื่องบินขนาดเบาอยู ดวยเทคโนโลยีในปจจุบัน ยิ่งทําใหประสิทธิภาพ ของเครื่องยนตลูกสูบ สูงขึ้นอยางมาก น้ําหนักเบาลงในขณะที่กําลังมีมากขึ้น ความ นาเชื่อถือสูงกวาที่เคยมีมาในอดีต เครื่องยนตลูกสูบแบบลูกสูบนอนยันตรงขาม (Flat horizontal opposed type) เหมือนเครื่องยนตรถโฟลคเตารุนเกา ระบายความรอนดวย อากาศ จากลักษณะการวางตําแหนงของลูกสูบ ชวยทําใหพนื้ ที่หนาตัดเล็กลง เปนการ ลดแรงตานไดดี บริษัทผูผ ลิตเครื่องบินขนาดเบาสวนใหญ มักใชเครื่องยนตกําลังต่ําและ ติดตั้ง เขากับตัว เครื่องบินดวย โครงประสานที่ทําจากทอกลมเชือ่ มตอเขาดวยกัน เพื่อใหรับ แรงไดดีแตมีน้ําหนักเบา เปนการยึดตัวเครื่องยนตเขากับตัวเครื่องบิน ดวยวิธีนี้เปนผล ใหเครื่องบินมีน้ําหนักเบา เพื่อใชในการแขงขัน หรือบินเพือ่ ความสนุกสนาน แตใช

114

บทที่ 6 พัฒนาการของเครื่องบิน

ประโยชนในการโดยสารหรือบรรทุกทั่วไปไดนอย ยังมีบางบริษัทผูผ ลิต ใชวัสดุอื่นที่ไมใช โลหะนํามาสรางเครื่องบิน แตยังคงสมรรถนะเดิม ตัวอยาง เชน เครื่องบินของบีชคราฟ เปนการแสดงใหโลกไดเห็นวา นี่แหละคือ เครื่องบินขนาดเบาที่ทัน สมัยจริงๆในยุคที่ ผลิตออกมาใหมๆ ดูรูปที่ 4.16 คือ เครื่องบิน บีชโบนันซา (Beach Bonanza) สามารถ ทําความเร็วไดถึง 175 ไมล/ชั่วโมง ดวยเครื่องยนตที่มีกําลังเพียง 185 แรงมา ถือไดวา เครื่องบินลํานี้ไดเปนผูนําในการแผนแบบเครื่องบินสวนบุคคลเพื่อการธุรกิจ ที่มีประสิทธิ ภาพสูง ในรูปที่ 6.2 เปนเครื่องบินV-35 โบนันซา รุนลาสุดชุดแพนหางตัววี เปนการ ประยุกตชุดแพนหาง โดยการควบรวม แพนหางดิง่ กับแพนหางระดับเขาดวยกัน

รูปที่ 6.2 เครื่องบินของ บีช รุน วี-35 โบนันซา (V-35 Bonanza) หางรูปตัววี

รูปที่ 6.3 เครื่องบิน เลียรเจ็ต โมเดล23 (Lear Jet Model 23)

บทที่ 6 พัฒนาการของเครื่องบิน

115

แนวทางการพัฒนาตอไปของอากาศยานขนาดเบา คือ เครื่องบินเจ็ตขนาดเบา ซึ่งคนสวนใหญมักจะหมายถึง เครื่องเจ็ตเพื่อการธุรกิจ (Business jet) ถึงแมวา เครื่องบินเจ็ตขนาดเบามีอยูใหเห็นมากมาย แตที่ควรจะใหเครดิต หรือนํามากลาวเปน ตัวอยางของเครื่องบินเจ็ตขนาดเบาทีด่ ี คือ เครื่องบิน เลียรเจ็ต (Lear jet) โดย บิล เลียร (Bill Lear) สามารถบินขึ้นโดยใชระยะทางบนทางวิ่งขึ้น เพียง 2,300 ฟุต ทําความเร็วได ถึง 500 ไมล/ชั่วโมง อัตราไตเขาใกล 7,000 ฟุต/นาที ผลิตออกสูตลาดเมื่อ ค.ศ.1963 รูปที่ 6.3 เลียร ไดยืมเทคโนโลยี ของเครื่องบินความเร็วสูง มาจากเครื่องบินรบของทหาร และเครื่องบินโดยสารขนาดใหญ นํามาผสมผสานกันอยางลงตัว จึงไดเครื่องบินขนาด เบาโครงสรางมีน้ําหนักเบาใชงานไดอยางมีประสิทธิภาพ สําหรับเครื่องบินขนาดเบาที่ ใชเครื่องเจ็ต เครื่องยนตลกู สูบยังคงเปนเครื่องยนตยอดนิยมของเครื่องบินขนาดเบาโดยทั่วไป ดวยคุณสมบัติเดน ไดแก ราคาที่ถูกกวา ประหยัดเชื้อเพลิงมากกวา โดยเฉพาะตั้งแตป ค.ศ.1970 ราคาน้ํามันเชื้อเพลิงมีแนวโนมสูงขึ้น มาทุกวันนี้ยิ่งสูงมากขึ้นเรื่อยๆ มี ประสิทธิภาพสูงกวาในการขับ เคลื่อนเครื่องบิน ยิ่งทุกวันนี้วิศวกรและบริษทั ผูผ ลิต เครื่องบินมีนโยบายในการประหยัดพลังงาน จึงทําใหเครื่องยนตลูกสูบ ยังคงเปน ขวัญ ใจของผูใชเครื่องบินขนาดเบาอยูตอไป จากแนวทางที่ตอ งการประหยัดพลังงานโดย เฉพาะอยางยิ่งการเผาไหมน้ํามันเชื้อเพลิง ซึ่งเปนผลมาจาก ปโตเลียม จึงไดเกิดแนว ความคิดใหม ที่ชวยประหยัดพลังงานไดมากขึ้น คือ การเก็บกวาดแรงตาน (Drag cleanup) หรือถาจะเรียกวา “กระบวนการกําจัดแรงตาน” ก็นาจะได ซึ่งวิธีการนี้มุงไปที่ การลดแรงตานอันเกิดจากสวนตางๆของเครื่องบิน นําไปสูส มรรถนะที่สูงขึน้ จึงเปนวิธที ี่ ถูกนํามาใชโดยทั่วไปไมวาจะเปนเครือ่ งบินสําหรับฝกความเร็วต่ํา แมกับยานพาหนะ อยางรถยนต

6.2 บินดวยความเร็วที่สูงยิ่งขึ้น (Higher Speed) ทุกคนคงเคยเห็นวัตถุกําลังเคลื่อนที่ไปในอากาศ ไมวาจะเปน เครื่องบินหรือวัตถุ ใดก็ตาม ยอมสงผลตออากาศในบริเวณที่วัตถุนั้น เคลื่อนทีผ่ าน เชน ความหนาแนนของ

116

บทที่ 6 พัฒนาการของเครื่องบิน

อากาศมีการเปลี่ยนแปลง แตวัตถุซึ่งเคลื่อนที่ดวยความเร็วประมาณ 100 ถึง 200 ไมล/ ช.ม. การเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติของอากาศในบริเวณนั้น มีคอ นขางนอย ถือไดวาแทบ ไมมีการเปลี่ยนแปลงความหนาแนนของอากาศเลย เพราะเปนการเคลื่อนที่ในยาน ความเร็วต่ํา สงผลใหความหนาแนนของอากาศเปลี่ยนแปลงเพียงเล็กนอย ถือไดวาไมมี การเปลี่ยนแตอยางใด เราเรียกวาเปนสภาวะ “การไหลไรการอัดตัว (Incompressible flow)” คือ อากาศที่ไหลผานเครื่องบินในยานความเร็วต่ํา ถือไดวามีความหนาแนนคงที่ เทากันหมด กับอากาศในบรรยากาศปกติที่เครื่องบิน บินผาน สถานการณ ที่ถือวาความหนาแนนของอากาศคงที่ ใชไดกับเครื่องบินทีบ่ ินใน ยานความเร็วต่ํา แตในกรณีที่เครื่องบิน มีความเร็วสูงมากขึ้น อากาศที่ไหลผาน เครื่องบิน ความหนาแนนเปลี่ยน รวมทั้งคุณสมบัติอื่นดวย ประมาณปลายป ค.ศ.1930 เมื่อมนุษยสามารถสรางเครื่องบินที่ทาํ ความเร็ว ไดถึง 300 – 400 ไมล/ช.ม. (ซึ่งในยุค นั้นการสรางเครื่องบินยังใชเงื่อนไขที่วา ความหนาแนนของอากาศคงที่อยู) เหตุการณที่ ปรากฏขึ้น แสดงใหเห็นวา ความหนาแนนของอากาศมีการเปลี่ยนแปลง หรือการไหล ของอากาศมีการอัดตัวได เรียกวา “การไหลอัดตัวได (Compressible flow)” เมื่อ เครื่องบิน บินในยานความเร็วสูงขึ้นและสูงขึ้น ผลจากแรงตานมีมากขึ้นเกินกวาที่ คาดคะเนเอาไว ดวยวาเงื่อนไขหรือวิธีคิดเดิมที่ใชอธิบายและคํานวณหาคาตางๆที่ ตองการในสมัยนั้น นํามาใชนั้นใหผลไดถูกตองเฉพาะในยานความเร็วต่ําเทานั้น เพราะ ความหนาแนนของอากาศเปลี่ยนมากในยานความเร็วสูง ในยุคนั้นนักวิทยาศาสตรทาง อากาศพลศาสตร ยังเขาใจไปวา ถาเครื่องบิน บินดวยความเร็วเขาใกลความเร็วเสียง แรงตานที่เกิดกับเครื่องบิน จะมีมากมหาศาล ถึงอนันต(Infinity) ขนาดที่วา ไมสามารถ หาแรงขับใด มาขับเคลือ่ นใหเครื่องบิน บินใหเร็วขนาดนั้นได ความเชื่อเชนนี้ เปนมา จนกระทั่งถึงป ค.ศ.1940 และเรียกปรากฏการณที่ เปนขีดจํากัดความเร็วของการบิน นี้ วา “กําแพงเสียง (Sound barrier)” แตยังมีนักวิทยาศาสตร ทางดานนีอ้ ีกหลายทาน ไดโตแยงความเขาใจอันนี้ วา เปนความเขาใจที่ผิด และชี้แจงวาการบินดวยความเร็ว ในยานความเร็วสูงกวาความเร็ว เสียง มักนิยมเรียกวา “ความเร็วเหนือเสียง” นั้นสามารถทําได ถาเรามีความเขาใจมาก

บทที่ 6 พัฒนาการของเครื่องบิน

117

พอ ในเรื่องเหลานี้ ลูกกระสุนปน เปนตัวอยางของวัตถุ ที่เคลื่อนที่ดวยความเร็วเหนือ เสียง เปนเวลานานมาแลว เครื่องบินลําแรกที่บนิ ดวยความเร็วสูงกวาความเร็วเสียง ได ถูกออกแบบรูปราง โดยอาศัยรูปทรงของลูกปน บราวนิ่ง .50 แคริเบอร คือ เครื่องบิน เบล เอ็ก-1 (Bell X-1) ดูรูปที่ 6.4 ครั้งแรกที่ทําการบินในยานความเร็วเหนือเสียงและ ประสบความสําเร็จ ซึ่งทดสอบโดยนักบินชื่อ ชัค ยีเกอ (Chuck Yeager) รูปที่ 6.5 เมื่อ วันที่ 14 ตุลาคม ค.ศ.1947 เปรียบไดกับการทดลองบิน ที่ประสบความสําเร็จเปนครั้ง แรกของ สองพี่นองตระกูลไรท ในป ค.ศ.1903 ความสําเร็จอันยิ่งใหญนี้ เปนผลมาจาก ความพากเพียร ในการทําวิจัย และการทดสอบ มาตลอดเปนเวลาหลายป

รูปที่ 6.4 Bell X-1 เปนเครื่องบินลําแรกที่บินดวยความเร็วเหนือเสียงเมื่อ ป ค.ศ.1947

6.3 ความเร็วเสียง (The Speed of Sound) หลายคน คงเคยไดยินคําวา “ความเร็วเสียง (Speed of sound)” “ความเร็ว เหนือเสียง (Supersonic)” และ “กําแพงเสียง (Sound barrier)” บางคนคงจะแปลกใจ วา ทําไม ความเร็วเสียง ถึงไดไปเกี่ยวของกับ แรงตานของเครื่องบิน อันทีจ่ ริงแลว เสียง การเคลื่อนทีข่ องเสียง หรือความเร็วของเสียงในอากาศ ไมไดไปสงผล โดยตรงกับ เครื่องบินเลย

118

บทที่ 6 พัฒนาการของเครื่องบิน

การเคลื่อนทีข่ องเสียงในอากาศ เปรียบไดกับการเคลื่อนทีข่ องคลื่นบนผิวน้ํา เพียงแตวาความเร็วของเสียงในอากาศ นั้น คือความเร็วในการสงถายความดันใน อากาศ หรือ การที่อากาศถูกรบกวน และถายทอดการรบกวนนั้นไปในอากาศ เทากับ ความเร็วของเสียงนัน่ เอง การตีกลอง คือการรบกวนอากาศ เสียงที่เราไดยิน นั่นคือผล ของการรบกวนอากาศ ซึ่งสงถายในรูปของคลื่นอัดและคลื่นขยาย มีการถายทอดการ รบกวนในเนือ้ โมเลกุลของอากาศคลายๆกับการ กระแทกตอๆกันไป จากจุดหนึ่งไปยัง อีก จุดหนึ่ง ดวยความเร็วคาหนึ่ง จนกระทั่งมาถึงหูของเรา ทําใหแกวหูสั่นสะเทือน สง สัญญาณตอไปยังสมอง นี่คือ ความเร็วเสียง

รูปที่ 6.5 ชัค ยีเกอร นักบินคนแรกของโลกที่บินดวยความเร็วเหนือเสียง เมื่อเครื่องบินเคลื่อนที่ดวยความเร็วคาหนึ่งในอากาศ การสงถายความดันจาก การรบกวน อากาศของตัวเครื่องบิน ไปในเนื้ออากาศจากการที่โมเลกุลกระทบตอกันไป คลายกับโดมิโน ดวยความเร็วเทากับความเร็วเสียง ถาเครือ่ งบิน บินชากวาความเร็ว เสียงการถายทอดความดันนั้น ก็จะวิ่งนําหนาเครื่องบินออกไป เชน เครื่องบินที่กําลังจะ

บทที่ 6 พัฒนาการของเครื่องบิน

119

บินผานเรา ถาบินชากวาความเร็วเสียง เราก็จะไดยินเสียงตางๆที่เกิดจากาการรบกวน ของเครื่องบิน กอนที่เครือ่ งบิน จะบินมาถึงเราเพราะเสียงไดนําหนามากอนแลว แตถา เปนเครื่องบินที่บินดวยความเร็วเหนือเสียง (คือบินเร็วกวาความเร็วเสียง) ผลของการที่ อากาศถูกเครื่องบินรบกวนนั้นสงถาย (หรือเคลื่อนที่) ไดชากวาเครื่องบิน เพราะสงถาย การรบกวนไดเทากับความเร็วเสียง ตัวเครื่องบินจึงนําหนาการรบกวนนั้น เมื่อเครื่องบิน บินผานเรา เราจึงเห็นเครื่องบินผานเราไปกอน จึงคอยไดยินเสียงที่รบกวนอากาศนั้น ตามมา เราอาจประหลาดใจวาความเร็วของเสียงในอากาศนั้นเคลื่อนที่ดวยความเร็ว คาหนึ่ง ซึ่งขึ้นอยูกับอุณหภูมิในอากาศ อุณหภูมิในอากาศนั้น เปนตัวชี้ถึงปริมาณ ของพลังงานในอากาศดวยถาอุณหภูมิในอากาศสูง ความเร็วเสียงก็จะสูงตาม ความ รอนที่มีอยูในวัตถุทั้งหลาย แมในอากาศ แสดงออกในรูปของอุณหภูมิ ซึ่งเปนผลมาจาก การสั่นสะเทือนของโมเลกุลของสารนัน้ เชนเมื่อเราเอามือไปแตะวัตถุทรี่ อน การ สั่นสะเทือนของโมเลกุลของวัตถุนั้น ไดสงถายมายังโมเลกุลของผิวหนังเรา ใหสั่น สะเทือนตามไปดวย สงผลใหเรารูสกึ รอน ถามีอุณหภูมิสูงมาก การสั่นสะเทือนมีมาก เมื่อสงมายังโมเลกุลผิวหนังเรา ทําใหเซลผิวหนังของเราตาย จึงรูสึกเจ็บ และพอง ดังนัน้ การวัดอุณหภูมิ คือการวัดคาเฉลี่ย ของการสั่นของโมเลกุลสารนั้นๆ ซึง่ ก็คือพลังงานใน สารนั้น เพราะวา โมเลกุลมีการสัน่ มาก เมื่ออุณหภูมิสูง จึงทําใหการถายทอดการรบกวน ไปไดเร็วกวา เชนที่ระดับน้ําทะเล อุณหภูมิ 59 F ความเร็วเสียงอยูท ี่ประมาณ 761ไมล/ ช.ม. แตที่ระดับความสูง 20,000 ฟุต จากระดับน้าํ ทะเล อุณหภูมิ  12 F ความเร็วเสียง อยูที่ 707 ไมล/ช.ม. และที่ ระดับความสูง 40,000 ฟุตจากระดับน้ําทะเล อุณหภูมิ  70 F ความเร็วเสียงอยูที่ 660 ไมล/ช.ม. ความเร็วเสียงในอากาศสามารถหาไดจาก สูตรนี้ V  48.92 ( 460  T ) ft s (ฟุต/วินาที) 





Sound

F

VSound  20.03 ( 273  TC ) m s

(เมตร/วินาที)

120

เมื่อ

บทที่ 6 พัฒนาการของเครื่องบิน

VSound TF

TC

คือ คือ คือ

ความเร็วเสียงในอากาศ เปน ฟุต/วินาที หรือ เมตร/วินาที อุณหภูมิของอากาศ เปน องศาฟาเรนไฮ (Fahrenheit) F อุณหภูมิของอากาศ เปน องศาเซลเซียส (Celsius) C 



จงหาความเร็วเสียงในอากาศ ที่อุณหภูมิ T  80 F และ ที่อุณหภูมิ T  30 C

ตัวอยางเชน





จากสมการ ความเร็วเสียง

VSound  48.92 ( 460  80) ft s VSound  1136.79 ft s

VSound  20.03 ( 273  30) ft s VSound  348.66 m s

6.4 ตัวเลข มัค (Mach number) คาของความเร็วเสียง เปนสวนสําคัญที่ถูกนํามาใช ในการคํานวณหรือ พิจารณา โดยเทียบกับความเร็วของอากาศที่สัมพัทธกับเครื่องบิน เพือ่ ความสะดวก และความ เหมาะสมในกรณีดังกลาว จึงไดมีการกําหนดคา ที่เปนอัตราสวนระหวาง ความเร็วของ อากาศที่พิจารณา กับ ความเร็วของเสียงในอากาศนั้น เพือ่ เปนเกียรติ แก เอิน มัค (Ernst Mach) นักวิทยาศาสตรชาว ออสเตรีย ซึง่ เปนคนแรกที่ ไดใหความสนใจ และ ศึกษา เรื่องการไหลของอากาศในยานความเร็วเสียง จึงไดตงั้ ชื่อคา อัตราสวนนี้วา ตัว เลขมัค หรือ เลขมัค แตนิยมเรียกทับศัพทวา “มัคนัมเบอร (Mach number)” ใชตวั ยอ M อยาลืม ตองใชตัวอักษรใหญ เพราะเปน ชื่อนักวิทยาศาสตร เขียนในรูปของสมการไดดังนี้ เมื่อ

V Air VSound

M

V Air VSound

คือ ความเร็วของอากาศ คือ ความเร็วเสียงในอากาศนั้น

ความเร็วทั้งสอง ตองมีหนวยเดียวกัน

(คา M ไมมีหนวย)

บทที่ 6 พัฒนาการของเครื่องบิน

121

เครื่องบินที่กาํ ลังบินอยูในอากาศ ดวยความเร็ว เปนครึ่งหนึง่ ของความเร็วเสียง ในอากาศนั้น ดังนั้น ความเร็วของอากาศที่สัมพัทธกับเครื่องบิน จึง มีคาเทากับครึ่งหนึ่ง ของความเร็วเสียงเชนกัน ดังนัน้ เราบอกไดวา บินที่คา มัคนัมเบอร เทากับ 0.5 หรือ M = 0.5 แตถาความเร็วของอากาศที่สัมพัทธกับเครื่องบินมีคา เปนสองเทาของความเร็ว เสียง แสดงวา เครื่องบิน บินดวยความเร็ว M=2 ขอย้ํา อยาสับสน โดยเขาใจผิดวาคา มัคนัมเบอร เปนคา ความเร็วของ เครื่องบิน เทียบกับ ความเร็วเสียงในอากาศ ตองเขาใจวา เปนคา ความเร็วของอากาศ ที่สัมพัทธกบั เครื่องบิน เทียบกับ ความเร็วเสียงในอากาศนั้น ดังนั้น เราจึงไมสามารถ บอกคาความเร็วของยานอวกาศขณะเคลื่อนที่ในอวกาศ เปน มัคนัมเบอรได ( ซึ่งนิยม บอกเปน กิโลเมตร/วินาที) เครื่องบินสองลํา บินที่คา มัคนัมเบอร เทากัน แตความเร็วของเครื่องบิน อาจจะ ไมเทากัน เพราะวา ความเร็วเสียงในอากาศที่เครื่องบินทั้งสอง กําลังบินอยูนั้น อาจไม เทากัน เชน เครื่องบินสองลํา บินดวยความเร็ว M = 0.5 เทากัน ลําแรก บินทีร่ ะดับน้ําทะเล ความเร็วเสียงในอากาศ เทากับ 761 ไมล/ช.ม. แสดง วาบินดวยความเร็ว 0.5  761  380.5 ไมล/ช.ม. (สัมพัทธกับอากาศ) ลําที่สอง บินที่ระดับความสูง 40,000 ฟุต แตความเร็วเสียงในอากาศเทากับ 660 ไมล/ช.ม.แสดงวาบินดวยความเร็ว 0.5  660  330 ไมล/ช.ม. (สัมพัทธกับอากาศ) ตั้งแตการบินไดพัฒนาใหเครื่องบินมีความเร็วสูงมากขึ้น มาจนทุกวันนี้ เปน เพราะความรูทางอากาศพลศาสตรได พัฒนาสูงขึ้นและไดจดั ยานความเร็ว โดยยึดเอา ความเร็วของเสียงในอากาศ เปน บรรทัดฐาน ดังนี้ ความเร็วอากาศที่ ต่ํากวา ความเร็วอากาศที่ เทากับ ความเร็วอากาศที่ สูงกวา

ความเร็วเสียง M < 1.0 เรียกวา “ซับโซนิก (Subsonic)” ความเร็วเสียง M = 1.0 เรียกวา “โซนิก (Sonic)” ความเร็วเสียง M > 1.0 เรียกวา “ซูเปอรโซนิก (Supersonic)”

122

บทที่ 6 พัฒนาการของเครื่องบิน

ยานตางๆทีแ่ บง ไวนั้น ในสวนที่ความเร็วอากาศเทากับ ความเร็วเสียง นั้นเปน จุดแบงระหวาง ความเร็วต่ํากวาความเร็วเสียง และ ความเร็วสูงกวาความเร็วเสียง เมือ่ เครื่องบิน บินดวยความเร็วที่ กระแสอากาศอิสระ มีความเร็วสัมพัทธกับเครื่องบิน เทากับความเร็วเสียง ถือวาเปน ความเร็ว โซนิก(Sonic velocity) แตทวาอากาศที่ไหล ผานเครื่องบินในแตละสวน บางสวนอาจมีความเร็ว ต่ํากวาเสียง บางสวนมากกวาเสียง และบางสวนก็เทากับเสียง ดังนั้น สําหรับเครือ่ งบินทั้งลําแลว จึงไมมี ความเร็วของ อากาศที่ปรากฏขึ้นในแตละสวนเทากัน คือ เปนซับโซนิก โซนิก หรือ ซูเปอรโซนิก อยาง ใดอยางหนึ่ง แต เกิดขึ้นในทุกยาน ขณะบินที่ความเร็วสูงเขาใกลความเร็วเสียงหรือกวา นั้น ดังนั้นเพือ่ ความเหมาะสมจึงไดแบง ยานความเร็วกระแสอากาศอิสระ ที่สัมพัทธกบั เครื่องบินไวดังนี้ M นอยกวา 0.8 M = 0.8 - 1.2 M = 1.2 – 5.0 M มากกวา 5.0

ถือวาเปนความเร็วในยาน ถือวาเปนความเร็วในยาน ถือวาเปนความเร็วในยาน ถือวาเปนความเร็วในยาน

ซับโซนิก (Subsonic) ทรานโซนิก (Transonic) ซูเปอรโซนิก (Supersonic) ไฮเปอรโซนิก (Hypersonic)

บางครั้งการกําหนด ยานของความเร็ว โดยดูที่คา มัคนัมเบอร อาจมีคาที่ตางกัน บางอยางเชน บางแหงอาจกําหนดยาน ทรานโซนิก อยูในชวง M = 0.7 – 1.3 อยางไรก็ ตาม การไหลของอากาศในยานทรานโซนิก อาจจะอยูสูงกวา ต่ํากวาอยู ประมาณ 20% ถึง 30% ของความเร็วโซนิก

6.5 คลื่นช็อค (Shock Waves) อยางที่ไดกลาวไปแลววา การถายทอดการรบกวน ในอากาศนั้น มีความเร็ว เทากับคลืน่ เสียง ที่สง ผานไปในอากาศ เพราะเสียงก็เปนปรากฏการณอยางหนึ่งที่ อากาศถูกรบกวน เรามองไมเห็นคลื่นเสียง แตการเคลื่อนที่ของเสียง มีลักษณะ เชนเดียวกับ คลื่นบนผิวน้ํา ซึ่งเกิดขึน้ จากการถูกรบกวน และเคลื่อนที่ดวยความเร็วคา

บทที่ 6 พัฒนาการของเครื่องบิน

123

หนึ่ง เพื่อความเขาใจถึงการเคลื่อนที่ของคลื่นเสียงในอากาศ (ทุกครั้งที่กลาวถึง การ เคลื่อนที่ของคลื่นเสียงในอากาศ ใหเขาใจวา เปนการเคลื่อนที่หรือความเร็วในการ ถายทอดการรบกวนในอากาศ แต นิยมพูดวา ความเร็วเสียง) จึงขอใหนกึ ภาพของคลื่น บนผิวน้ํา จะชวยใหเขาใจไดงายขึ้น สมมุติวาเรา นําเอากอนกรวดเล็กๆจํานวนหนึ่ง ทิง้ ลงในบอน้ํานิ่ง ทีละเม็ด ลง ณ ตําแหนงเดิม โดยทิ้งชวงเวลาเทาๆกัน จะเห็นวาคลื่นบนผิวน้ําที่ถูกรบกวน โดยเม็ดกรวด ขยายออกเปนวงกลม โตขึ้นตามความเร็วของคลื่น ดังรูปที่ 6.6 A เกิดไลกันมาตั้งแตวง แรก คือ วงที1่ วงที่2 วงที่3 และ ตอๆไป……

รูปที่ 6.6 การขยายออกของวงคลื่นบนผิวน้ํา เมื่อถูกรบกวนโดยเมื่อเม็ดกรวด ที่ทิ้งลงไป ในน้ํานิ่ง A ทิ้งลงจุดเดียวทั้งสามครั้ง B ทิ้งโดยเลือ่ นตําแหนง และ C ทิ้งแบบ B แต เลื่อนตําแหนงใหเร็วขึ้น ทําการทดลองตอ ดวยการทิ้งเม็ดกรวด อยางเชนตอนแรก แตเลื่อนตําแหนงการ ทิ้งไปทางขวา โดยที่ความเร็วในการเลื่อนตําแหนงที่ทงิ้ ใหชากวาความเร็วคลื่นที่ ขยายตัวออก จะเปนเหมือนในรูปที่ 6.6 B ใหสังเกตวา ความเร็วของคลื่น เร็วกวา การ เลื่อนตําแหนงของกอนกรวด (ที่ตกลงบนผิวน้าํ ) เปนเสนตรง ตอมาลองทิ้งกอนกรวด อยางเดิมแตเพิ่มความเร็วในการเลื่อนตําแหนงทีท่ ิ้งใหเร็วกวา ความเร็วคลื่น จะเห็นวา ตําแหนงที่กรวดตกลงไป จะชนกับคลื่นกอนหนานั้น ที่ขยายวงออกมา เมื่อเราทิ้งกรวด กอนที่ 4 ก็จะเปน เหมือนดังในรูปที่ 6.6 C

124

บทที่ 6 พัฒนาการของเครื่องบิน

มาถึงตอนนี้ แทนทีจ่ ะเปนเม็ดกรวด ไปรบกวนน้ําใหมีคลื่น แตใหเปนจุดกําเนิด เสียง(รบกวนอากาศ) ใหชื่อวา บีบเปอ (Beeper เพราะสงเสียง “beep”) เปนจุดเล็กๆ ซึ่งจะสงเสียงเปนระยะๆ ชวงเวลาเทาๆกัน เชนเดียวกับการทดลองที่ผานมา ถา บีบเปอ เคลื่อนทีช่ ากวาความเร็วเสียง คืออยูในยาน ซับโซนิก คลื่นเสียงก็จะวิ่งนําหนา บีบเปอ ออกไป แตถา บีบเปอเคลื่อนที่เร็วกวา เสียง คือความเร็ว ซูเปอรโซนิก คลื่นเสียงทีถ่ ูก สงออกมาจากตัว บีบเปอเองก็จะอัดซอนกันอยู บริเวณดานหนาของ บีบเปอ เชนเดียวกับคลื่นน้ํา ที่หัวเรือที่วิ่งเร็วกวาความเร็วคลื่น เปนเสนที่ลากสัมผัสกับ วงกลม ในรูปที่ 6.6 C เสนตรงนี้ เกิดจากการซอนอัดตัวกันของคลื่นทีเ่ กิดขึ้นมา แต เคลื่อนที่ไดชา กวาวัตถุ ที่มารบกวน เราเรียกสิ่งที่เกิดขึน้ มาใน เหตุการณการนี้วา “มัคเวฟ (Mach wave)”

รูปที่ 6.7 รูปถายดวยวิธี ชเลียเรน (Schlieren) จากอุโมงคลม ซูเปอรโซนิก แสดงใหเห็น คลื่นช็อคเฉียง (Oblique shock wave) ในรูปที่ 6.7 เปนแบบจําลอง (Model นิยมเรียกทับศัพทวา “โมเดล”) มีลักษณะ หัวแหลม ถูกติดตั้งอยูในอุโมงคลมซูเปอรโซนิก ในขณะที่อากาศที่มีความเร็วเหนือเสียง (Supersonic) ไหลผานจากขวาไปซาย ที่มองเห็นเปนแถบเสนสีดํา เริ่มจากปลายแหลม

บทที่ 6 พัฒนาการของเครื่องบิน

125

ของโมเดล ก็คือ คลื่นช็อคเฉียง เรียกทับศัพทวา “ออบลีกช็อค (Oblique shock)” (แนว คลื่นช็อคไมตั้งฉากกับทิศทางการไหลของอากาศ) ซึ่งตามปกติจะมองไมเห็น ตองถาย ดวยวิธี ชเลียเรน (Schlieren photograph) ชวย สวนแนวเสนรางๆ ทีป่ รากฏเห็นถัดมา ทางซาย คือ มัคเวฟ (Mach wave) จะเกิดขึน้ ไดตองเปนการไหลของอากาศในยาน ซูเปอรโซนิกเทานั้น และมีวัตถุขนาดเล็กมาก ขวางหรือรบกวนการไหล คลายกับ ปรากฏการณ ในรูปที่ 6.6 C ถาสังเกตดูในรูป เรายังจะเห็นมีเสนมองเห็นรางๆ ที่พาด เฉียงเล็กๆ อีกเปนจํานวนมาก ซึ่งเสนเหลานี้ก็คือ มัคเวฟ ถาเปรียบกับน้ําที่กําลังไหลใน ลําราง เราคงเคยสังเกตเห็นวามีคลื่นเปนริ้วเล็กๆจํานวนมาก ทําแนวเฉียงกับทิศ ทางการไหลของน้ํา ถาความเร็วของน้ํามีมาก(คือไหลเร็วกวาความเร็วของคลื่นที่ผิวน้ํา) คลื่นเหลานีก้ ็จะเอียงมากตามไปดวยเพราะความเร็วของคลื่นไมสามารถเอาชนะ ความเร็วของน้ําได เปรียบไดกับ มัคเวฟ ที่เกิดขึ้นในอากาศ ซึ่งไหลในยานความเร็ว เหนือเสียง เมื่อคลื่นช็อคปรากฏขึ้น มีการเปลี่ยนแปลงอยางมากกับอากาศที่ไหลผาน คลืน่ ช็อคนี้ ไมวาจะเปน ความเร็ว ความหนาแนน ความดัน อุณหภูมิ เหมือนกับวา เกิดการ อัดตัวของอากาศคอนขางมาก ดานหลังของคลืน่ ช็อค จึงสงผลใหคุณสมบัติของอากาศ เปลี่ยนไปอยางรวดเร็ว

126

บทที่ 6 พัฒนาการของเครื่องบิน

แบบฝกหัดบทที่ 6 6.1

จงบอกถึงความสําคัญ ของบุคคลตอไปนี้ ที่ไดมีการบันทึกไวในประวัติศาสตร การบินของโลก ก.) ชารล ลินเบิรก (Charles Lindbergh) ชาวอเมริกัน ข.) ฮูโก จังเกอร (Hugo Junkers) และ แอนโทนี ฟอกเกอร (Anthony Fokker) ค.) ชัค ยีเกอร (Chuck Yeager)

6.2

ยานของความเร็วของอากาศ เมื่อเทียบกับความเร็วเสียงในอากาศ แบงออกเปน กี่ยาน อะไรบาง

6.3

จงหาความเสียงในอากาศ ที่อุณหภูมิ 40 F และ  5 C

6.4

บทบาทขององคการ NACA มีอะไรบางที่ชวยในการพัฒนา เครื่องบิน ในยุค เริ่มตนของการบิน

6.5

จงใหความหมายของ คําตอไปนี้ ก.) การไหลไรการอัดตัว (Incompressible Flow) ข.) การไหลอัดตัวได (Compressible Flow)

6.6

คลื่นช็อค มองดวยตาเปลาไมเห็น ตองใชวิธีอะไรชวยจึงจะมองเห็น





ผนวก เครื่องบินพลังยาง ในหนังสือ สนุกกับอากาศยาน เลม 1 เราไดเคยทํา เครื่องรอนพุงดวยมือมาแลว ซึ่งบินไปไดดว ยการพุงออกไปในตอนแรกดวยความเร็ว เคลือ่ นตัวดวยแรงเฉื่อย และ คอยๆชาลงดวยแรงตานของอากาศที่กระทําตอเครื่องรอน แรงที่กระทําตอเครื่องรอนมี เพียงแรงยก น้ําหนัก และแรงตาน

รูปผนวก.1 เครื่องรอนในขณะกําลังเคลื่อนที่ไปขางหนา ดวยแรงเฉื่อย โดยปราศจาก แรงขับ ตอนนี้ เราจะใสแรงขับใหกับเครื่องรอนของเรา แรงขับนี้ไดจากใบพัดที่หมุนดวย ยางที่มีพลังงานสะสมอยูจํานวนหนึง่ โดยการนําเอาเครื่องรอน แบบที่เราเคยทําเลนกัน มาแลว นํามาดัดแปลงโดยการเพิ่ม ใบพัดและหนังยางที่ใชมดั สิ่งของทั่วไปชวยใหมีแรง ขับ ไปไดไกลขึ้น และบินไดสูงขึ้น

128

ผนวก เลม 2

รูปผนวก 2 เครื่องบินพลังยาง เมื่อประกอบเสร็จเรียบรอย

ผนวก เลม 2

129

รูปผนวก 3 ใสแรงขับใหกบั เครื่องรอน ดวยใบพัดหมุนพลังยาง

พื้นที่ปกหมายถึง พื้นที่ฉาย (Projected Area) เปรียบไดกับปก หรือเครือ่ งรอน ของเรา อยูก ลางแดด ในเวลาเที่ยงวัน เงาของปกที่ปรากฏบนพื้นปูนเรียบ ดังนัน้ พืน้ ที่ ฉาย จึงเทากับ ความยาวกางปก คูณดวย ความกวางของปก

130

ผนวก เลม 2

ตัวอยาง แนวทางในการเขียนแบบประกอบเครื่องรอนพุงดวยมือ สําหรับนักเรียน

ผนวก เลม 2

131

ประวัติเหตุการณ ดานการบิน และบุคคลที่เกี่ยวของ ในประเทศไทย เมื่อตนรัชกาลที่ 6 พ.ศ. ๒๔๕๔ ชาวตางประเทศ นําเครื่องบินใบพัด ปก 2 ชั้น “ออรวิวล ไรท”(Orville Wright, US) เขามาบินใหคนไทยไดเห็นเปนครั้งแรก ผูเ ฒาผูแกบางคนเห็นแลวตกใจ กลัว อุทานวา ”พวกนี่ชา งวิเศษเหลือเกิน เหาะเหินเดินอากาศไดเหมือนหนุมาน” ฝรั่งไดเชื้อเชิญให ทหารไทยทดลองโดยสารดูบาง ฝายไทยตกลงให พ.ต.หลวงศักดิ์ศัลยาวุธ เปน ”เจาเวหาคนแรก” เปนผูทดลองกอน แลวทานก็กระโดดขึ้นไปนั่งคูกับคนขับดวยความเต็มใจ เครื่องบิน บินวนเวียนอยู สองสามรอบ แลวกลับสูสนามบิน รายงานผูบังคับบัญชาวา “เมื่ออยูในอากาศนัน้ ไมมีความรูสกึ อยางไร สบายเหมือนนั่งรถยนต “ ดวยเหตุนี้ คนอืน่ จึงกลาขึน้ บาง เสียคาโดยสารคนละ50 บาท (เปนการใหสมั ภาษณ ของ พ.ต.หลวงศักดิ์ศัลยาวุธ นสพ.เดลิเมล ฉบับวันที่ 2 มี.ค. พ.ศ. 2496)

จอมพล สมเด็จพระเจาบรมวงศเธอ เจาฟากรมหลวงนครไชยศรีสุดเดช เสนาบดีกระทรวงกลาโหม ( พ.ศ. 2453-2456) จอมพลพระเจานองยาเธอกรมหลวงนครไชยศรีสุรเดช เสด็จไปยุโรป ทรงเห็นความคึกคัก ในการแขงขันการบินในประเทศฝรั่งเศส เมื่อเสด็จกลับมา จึงกราบทูลใหพลเอกพระเจานองยาเธอ เจาฟากรมหลวงพิศณุโลกประชานารถ ถึงความจําเปนที่ กระทรวงกลาโหม.ควรตองมีกําลังทาง อากาศมาใช ทรงจัดตั้งหนวยบิน ใหพล.ท.พระเจานองยาเธอ กรมหมืน่ กําแพงเพชรอัครโยธิน จเร ทหารชาง จัดสงนายทหาร 3 คน เพื่อเตรียมตัวไปศึกษาวิชาการบินทีป่ ระเทศฝรั่งเศส

132

ผนวก เลม 2

จอมพลสมเด็จพระเจาบรมวงศเธอ เจาฟาจักรพงษภูวนาถ กรมหลวงพิศณุโลกประชานาถ เสนาธิการทหาร

พลเอก พระเจาบรมวงศเธอ กรมพระกําแพงเพชรอัครโยธิน จเรการชางทหารบก เสนบดีกระทรวงพาณิชยและคมนาคม

ผนวก เลม 2

133

ในเดือน มกราคม พ.ศ. 2454 กระทรวงกลาโหม มีคําสัง่ สง นายพันตรี หลวงศักดิ์ศลั ยาวุธ (สุนี สุวรรณประทีป) นายรอยเอก หลวงอาวุธสิขิกร (หลง สินศุข) และนายรอยโท ทิพย เกตุทัต ไป ศึกษาวิชาการบิน ณ ประเทศฝรั่งเศส 27มี.ค. 2454 พลเอกพระวรวงศเธอพระองคเจาบวรเดช อัครทูตพิเศษ ประจํากรุงปารีส มารับ จัดสงให เรียนภาษาฝรัง่ เศส กับครอบครัวชาวฝรั่งเศสเปนเวลาเดือนเศษ ตองตื่นตีสี่ ขึ้นรถแทกซี่ไป สนามบิน Villacoublay ซึ่งอยูหางจากปารีสประมาณ ๓๐ กิโลเมตร ระหวางไปถึงใหมๆ มี พระ ภาษาศรีรัตน เปนลามทัง้ ในกิจการสวนตัวและการฝกบิน พ.ต.หลวงศักดิ์ศัลยาวุธไดตอบแทนลาม ดวยการใหขึ้นบินเครื่อง Breguet ดวย และบรรยายวาเปนเครื่องปก ๒ ชั้น นัง่ ชองเดียวกับนักบิน ในที่โลง ลักษณะเครื่องบอบบางมีสายลวดนุงนัง ชาวฝรั่งเศสเรียกวา “Cage a Poule” แปลวา” กรงไก” เปนเครื่องบินที่ทนั สมัยที่สุดในขณะนั้น

พลอากาศโท พระยาเฉลิมอากาศ (นายพันตรี หลวงศักดิ์ศัลยาวุธ สุณี สุวรรณประทีป)

134

ผนวก เลม 2

นาวาอากาศเอก พรยาเวหาสยานศิลปะสิทธิ์ ( นายรอยเอก หลวงอาวุธสิขิกร หลง สิน-ศุข)

นาวาอากาศเอก พระยาทะยานพิฆาต ( นายรอยโท ทิพย เกตุทัต ) นายทหารทัง้ ๓ คนรับการตรวจสภาพรางกาย วามีความสมบูรณพรอมสามารถบินได หลวงอาวุธสิขกิ ร และ ร.ท.ทิพยเกตุทัต บินที่ รร.การบินบริษัทนิเออปอรต (Nierport NG) สวน พ.ต.หลวงศักดิ์ ศัลยาวุธ เรียนบินอยางนักบินพลเรือนที่ Villacoublay พ.ต.หลวงศักดิ์ศัลยาวุธ บินดวยเครื่อง Breguet III ปก ๒ ชั้นที่ Villacoublay Airport สวน หลวงอาวุธสิทธิกร และรท.ทิพย เกตุทัต บินเครื่อง Nierport NG ปกชัน้ เดียว ณ ตําบล มูร เมอรลองเลอกรังค (Mourmelon-le-Grand)

ผนวก เลม 2

พ.ต.หลวงศักดิ์ศัลยาวุธ

135

สอบไลวิชาการบินไดตามหลักสูตรสโมสรการบินพลเรือนแหง

ฝรั่งเศส พ.ต.หลวงศักดิ์ศัลยาวุธ สอบวิชาการบินของกองทัพบกฝรั่งเศสสําเร็จตามหลักสูตร และ อีก ๒ นายสําเร็จในเดือนเดียวกัน พ.ต.หลวงอาวุธสิทธิกร สําเร็จวิชาวิชาการบินหลักสูตรของสโมสรการบินพลเมืองแหง ฝรั่งเศส ในป พ.ศ. 2456 ก.ค. 2456 กระทรวงกลาโหม ไดสั่งซื้อเครื่องบินจากฝรั่งเศส 8 เครื่อง 12-14 ก.ย. 2456 นายทหารทัง้ 3 คน เดินทางออกจากฝรั่งเศส ระหวางเดินทางกลับไดแวะดูงานเกี่ยวกับ กิจการบิน 14 ก.ย. พ.ศ. 2456 ไปดูโรงเรียนการบินทีก่ รุงเปโตร กราด นครหลวงของประเทศรัสเซีย ไปดูเครื่องบินและอากาศยานทีก่ ัตชินา24 ก.ย.พ.ศ. 2456 ไดไปดูการบินที่สนามบินคอรปปุสนี 2 พ.ย.2456 - ธ.ค. 2456 นายทหารทัง้ 3 คน เดินทางถึงกรุงเทพฯ พรอมเครื่องบินที่สั่งซื้อมาทัง้ 8 เครื่อง มาถึง กรุงเทพฯ ตอมาไดจัดตั้งแผนกการบินเปนหนวยขึ้นตรงตอกรมจเรการชางทหารบก มีสถานที่อยู ณ โรงเก็บ หลังโรงเรียนพลตํารวจ ปทุมวัน 29 ธ.ค. 2456 นายทหารนักบินทัง้ 3 คน แสดงทดลองบินครั้งแรก ที่สนามมา สระประทุม สําเร็จดวยดี 13 ม.ค. 2456 พระบาทสมเด็จพระมงกุฎเกลาฯ เสด็จพระราชดําเนินมายังโรงเก็บเครื่องบิน นายทหารทัง้ สามคน บินถวายตัว ตนป เดือน ก.พ. 2457 พ.ท.พระเฉลิมอากาศ เปนหัวเรี่ยวหัวแรงสําคัญในการสถานที่อนั เหมาะสมสําหรับจะตั้ง เปนสนามบินถาวรตอไป เมื่อเห็นตําบลดอนเมืองเปนที่ดอน หนาน้าํ น้าํ ไมทว มเหมือนที่อนื่ ใชทํา จึงรายงานกระทรวงกลาโหม การบินไดตลอดป อยูไมไกลจากพระนครมากนักไปมาสะดวก จัดสรางสถานที่ และเริ่มสงคนไปประจํา 8 มี.ค. 2457 พ.ท.พระเฉลิมอากาศ พรอมนักบินที่สาํ เร็จจากฝรั่งเศสอีก 2 ทาน นําเครื่องบิน 3 ลํามา รอนลงเปนการเปดสนามบินดอนเมืองเปนครั้งแรก 23 มี.ค.2457

136

ผนวก เลม 2

พ.ท.พระเฉลิมอากาศ ออกขอบังคับเกี่ยวกับการบริหารกิจการของกองบิน แตมีผลบังคับ ใชตั้งแต เม.ย. พ.ศ. 2458 เปนตนไป 27 มี.ค.2457 ใหยกฐานะแผนกการบินขึน้ เปน กองบินทหารบก

งานการสรางเครื่องบิน ในครั้งนัน้ การสื่อสารยังไมทนั สมัย การสั่งซื้อและซอมเปนไปโดยยากลําบาก ใชเวลาแรม ป เปนอุปสรรคสําคัญ ไมทนั การณ จึงตั้งความพยายามไววา “เราตองสรางเครื่องบินของเราขึ้น ใชเองใหได” โดยมีการดําเนินการเปนขั้นๆ ดังนี้ -1.จัดหาเครื่องมือเกีย่ วกับชางไม และชางเหล็กมารวบรวมไว บางสวนสั่งซื้อเครื่องมือจาก ตางประเทศ -2. คัดเลือกบุคลากรนายสิบ และพลทหารประจําการที่มีความรูทางชางไม ชางเหล็ก และ ชางเครื่องยนตมาฝกใหเปนชางเครื่องบิน -3. การเสาะหาวัสดุที่มีอยูใ นประเทศเพือ่ นํามาประกอบเปนตัว เครื่องบิน โดยมีผลงาน คือ 21 ก.ย. 2457 - เปลี่ยนเครื่องยนตใหเครื่องบินเบรเกตใหม เมื่อทดลองบิน ปรากฎวาเครื่องตกลงมาเสียหายหมด เขาโรงซอมและทดลองขึน้ บินใหมไดสําเร็จในวันที1่ 4 ธ.ค. พ.ศ. 2457 จากการทดลองหลายครั้ง พบวาพรรณไมไทยหลายชนิดไดแก ไมปอทะเล ไมสนุน ไมยมหอม ไมโมกมัน มีคุณสมบัติทัดเทียม ไมตางประเทศ -น้ํามัน ”โนเวีย” ใชทาผาบุเครื่องบิน ตองสั่งซื้อจากฝรั่งเศส ถาซื้อมาทิ้งไวนานจะเสื่อมคุณภาพ จึง ทดลองหายางไมและวัสดุหลายอยางที่ไทยมีอยูแตไมไดผล พ.ท.พระเฉลิมอากาศสั่งใหพยามทํา ขึ้นใช ในป พ.ศ.2463 พ.อ.พระสารสาสนพลขันธ (เยรินี) พบวาเปลือกตนบง นํามาทําเปนน้าํ มัน ทาผาบุเครื่องบินแทนโนเวียได ซึ่งไดรับขนานนามวา “น้าํ มันวิทยาศาสตร” -การทําน้าํ ประสานเชื่อมอลูมิเนียมขึ้นใชเอง สมัยนัน้ การปะกอบเครื่องบินเปนไปดวยความลําบาก พ.ท.พระเฉลิมอากาศปรารภวา”เรา ตองคิดทําน้ําประสานเชื่อมอลูมเิ นียมขึ้นใชเองใหได” ตอมามี จานายสิบและ ชางศร เปนผูชวยใน การประดิษฐน้ําประสานขึน้ ใชในราชการ เมื่อทํางานดีจึงเสนอความดีความชอบแกจานายสิบและ ชางศรผูมีผลงานการประดิษฐให กระทรวงกลาโหมออกประกาศชมเชยและมอบรางวัลใหเปนเงิน 200 บาท ณ วันที่ 2 มี.ค. 2458 เชนนี้เปนทักษะการใชคนของทาน

ผนวก เลม 2

137

25 ก.พ. 2457 พ.ท.พระเฉลิมอากาศ ขับเครื่องบิน นิเออปอรต ที่คนไทยผลิตเอง ดวยวัสดุภายในประเทศ และดวยความภาคภูมิใจในฝมือคนไทย (เครื่องยนตเทานัน้ ที่ซื้อจากตางประเทศ) 24 พ.ค. 2458 สรางเครื่องบิน เบรเกต และนําทดลองบินเปนผลสําเร็จในระยะสูง 100 เมตร อยางคลองแคลว ดวยความตั้งใจ พยายามฟนฝาอุปสรรคมาตลอดของ พ.ท.พระเฉลิมอากาศ 19 มิ.ย. 2461 - 21ก.ย. 2462 พ.อ.พระเฉลิมอากาศ เปนผูบังคับการกองทหารอาสาไปพระราชการสงครามรวมรบในชวงของ สงครามโลก ครั้งที่ 1 ทําใหสยามทัดเทียมนานาประเทศหลายประการ 19 มี.ค. 2461 ยกฐานะกองบินทหารบกเปน กรมอากาศยานทหารบก พ.อ.พระเฉลิมอากาศ เปนเจากรมแบงสวน ราชการเปน 3 สวน คือ 1. กองบินทหารบก 2. โรงเรียนการบินทหารบก 3. โรงงานกรมอากาศยานทหารบก กองบินทหารบกเจริญขึ้น ขยายกิจการออกเปน กองบินใหญทหารบกที1่ (กองบินขับไล) กองบินใหญทหารบกที2่ (กองบินตรวจการณ) กองบินใหญทหารบกที3่ (กองบินทิง้ ระเบิด) 1 ธ.ค. 2464 กิจการกองบินกวางขวางมากกวาวงการทหารบก จึงใหตัดคําวาทหารบกออกทัง้ หมด 19เม.ย.2465 - กรมอากาศยาน จําแนกเปน 5 กอง คือ 1. กองโรงเรียนการบินเบื้องตน มีหนาที่ฝก บินใหนักบินชั้นปฐม มัธยมและชางเครื่อง ตั้งอยูท ี่ดอน เมือง เม.ย. 2484 กองนี้ไดยา ยไปอยูทจี่ ังหวัดนครราชสีมา รวมกับกองบินนอยที่ 3 จนทุกวันนี้ 2. กองโรงงานกรมอากาศยาน กลุมโรงงานทางทิศตะวันตก ของสนามบิน ซอมเครื่องตางประเทศ มาจนทุกวันนี1้ 2 เม.ย.2469 กองนี้แบงออกเปน 6 ฝูง.1,2,3 มีหนาที่ซอมสรางเครื่องบิน ตั้งอยูท ี่ กรุงเทพฯ สวนฝูง 4,5,6 ซอมเครื่องบินที่จังหวัดนครราชสีมา ประจวบคิรีขนั ธและจังหวัดลพบุรี ตามลําดับ ป 2472 กองนี้สามารถสรางเครื่องบินแบบบริพัตรไดเอง และบินไปอวดธงไทยยัง

138

ผนวก เลม 2

ประเทศอินเดีย เมื่อ 7 พ.ย.ปพ.ศ. 2473 กิจการงานซอมกวางขวางมากขึ้น จึงยายกองโรงงานการ ซอมไปอยูที่บางซื่อ ยกขึน้ เปนกรมชางอากาศมาจนทุกวันนี้ 3. กองบินใหญที่ 1 คือกองบินใหญทหารบกที1่ ตั้งอยูท ดี่ อนเมือง แต เมื่อ9 เม.ย. 2465 ไดยายไป อยูอาวมะนาว จังหวัดประจวบคิรีขันธ 16 ก.ย. 2468 ยายไปอยู ณ เขาพระบาทนอย ต.ธรณี จังหวัดลพบุรี และในวันที่ 15 เม.ย. 2478 กองบินฯนี้ไดยายไปอยูตําบลตาคลี จังหวัดนครสวรรค มาจนทุกวันนี้ 4. กองบินใหญที่ 2 มีหนาที่ตรวจการณ ทําแผนทีท่ างอากาศ ฝกถายรูปทางอากาศ ตั้งอยูท างฝง ตะวันตกของสนามบิน วันที่ 2 ก.พ. 2468 กองบินนี้ไดยายมาอยูฝ งตะวันออกของสนามบิน ซึ่ง กลายเปนกองบินนอยที่ 6 แตในป 2481 ไดยายไปอยูที่ เขาพระบาทนอย ต.โคกกระเทียม จังหวัด ลพบุรี มาจนถึงทุกวันนี้ 5. กองบินใหญที่ 3 อยูทตี่ ั้งดอนเมืองเปนกองบินทิ้งระเบิด ในป 2463 ไดยา ยไปอยูทจี่ ังหวัด นครราชสีมา หนวยงานทัง้ 5 กองนี้ เปนรากฐานสําคัญของกองทัพอากาศในปจจุบันที่ พล.อ.ท.พระยาเฉลิม อากาศไดกอตัง้ ไว 12 เม.ย. 2478 เปลี่ยน กรมอากาศยาน เปน กรมทหารอากาศ สังกัดทหารบก พ.ศ. 2479 แยกสังกัดจากทหารบก พระราชทานยศทหารเปลี่ยนสีเครื่องแบบเปนสีเทา 9 เม.ย. 2480 ยกฐานะกรมอากาศยานเปน กองทัพอากาศ

139

บรรณานุกรม ปราโมทย แตงหอม, อากาศยานและอากาศพลศาสตรพื้นฐาน